CN113263756B - 一种具有梯度热场的渐进式固化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有梯度热场的渐进式固化装置，包括压力罐、芯模、缠绕体、第一导热油、第二导热油、第一循环控温装置和第二循环控温装置；压力罐内填充有第二导热油，芯模浸没在第二导热油中，缠绕体缠绕设置在芯模上；芯模为中空密封芯模，芯模内设置有第一导热油；第一循环控温装置与压力罐内部连通，第二循环控温装置与芯模内部连通。本发明能使预浸胶布带缠绕体的固化过程由内而外逐渐进行，树脂中的挥发分都有机会和足够的时间被抽出，借助压力罐的压力可使尚未固化的部分能够及时的填充酚醛树脂固化过程中的体积收缩，从而避免产品出现气泡和分层的缺陷。

Description

一种具有梯度热场的渐进式固化装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种具有梯度热场的渐进式固化装置及方法。

背景技术

厚壁湿法布带缠绕件在固化过程中极易出现层间开裂的问题，虽然之前有许多人专门对此进行研究，但仍没有很好地解决。究其原因是火箭喷管和再入式弹头的防热结构都需要使用耐热性和残碳率较高的酚醛树脂，由于固化过程中会有较大量的挥发性小分子产物释放出来并裹挟树脂一起流出，酚醛树脂的体积会发生收缩，当采用等温固化时缠绕体内外几乎是同时进行固化的，部分挥发性小分子的逃逸通道可能会被周围固化的树脂封闭而形成气泡，也可能会出现外侧先行固化后不能向内收缩填充内侧固化造成的收缩而出现分层；还可能因吸胶棉用的过多和工艺参数不当造成过多的胶液被吸出，导致因缺胶而出现分层。虽然人们也尝试过采用由内而外加热的芯模固化，也因为热量在缠绕体上传递所消耗的时间远小于固化反应需要的时间，而没有实质效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有可控温度梯度热场的渐进式固化装置及方法，以解决针对大型喷管扩散段因酚醛在固化过程中的收缩率较大和现有固化过程加热方式存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有梯度热场的渐进式固化装置，包括压力罐、芯模、缠绕体、第一导热油、第二导热油、第一循环控温装置和第二循环控温装置；压力罐内填充有第二导热油，芯模浸没在第二导热油中，缠绕体缠绕设置在芯模上；芯模为中空密封芯模，芯模内设置有第一导热油；第一循环控温装置与压力罐内部连通，第二循环控温装置与芯模内部连通。

进一步的，第一循环控温装置包括温控器、第一油泵、储液桶和储能罐；储液桶的底部连接出液管，出液管分为两路，一路连接第一油泵，第一油泵连接温控器，温控器连接压力罐底部；另一路分为三路，一路连接储能罐，一路连接储液桶顶部，另一路连接压力罐顶部；第一油泵和温控器之间的管路与连接压力罐顶部的管路连通。

进一步的，第一油泵和储液桶出液管之间设置有第二油泵和第一阀门。

进一步的，连接到储能罐的管路上设置有高压泵和单向阀；连接储液桶顶部的管路上设置有稳压阀；连接压力罐顶部的管路上设置有第一阀门。

进一步的，第二循环控温装置包括温控器、储油槽、出油管和进油管；储油槽设置在压力罐外侧；进油管的两端分别连通芯模和储油槽；出油管的两端分别连通芯模和热装置储油槽；温控器设置在进油管上。

进一步的，进油管和出油管上均设置有油泵和抽油油泵。

进一步的，芯模的顶部采用吸胶棉包裹，并在最顶部设有抽气管；芯模的下端设置有保温材料；抽气管上设置有真空泵和抽气阀，抽气阀另一端的管道与压力罐内侧相连。

进一步的，缠绕体外侧包裹有耐热塑料薄膜，芯模内设置油位传感器。

进一步的，压力罐顶部为半球形盖门，半球形盖门和压力罐密封连接形成密封罐体。半球形盖门与压力罐之间设有密封圈。

进一步的，一种具有梯度热场的渐进式固化方法，包括以下步骤：

将密封隔离处理好的缠绕体安置在压力罐内，并关闭所有阀门给压力罐加压；

通过第一循环控温装置和第二循环控温装置控制芯模内部和油桶的油温，使缠绕体自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照时间顺序由内而外地进行；

当缠绕体整体温度都达到了设定的最高固化温度后继续保持，使缠绕体外侧的材料完全固化；

然后给压力罐减压至常压，抽出芯模里的导热油和压力罐里的导热油，开启半球形盖门，然后将缠绕体整体吊出。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明采用径向、轴向混合温度梯度热场的渐进式固化工艺，将缠绕体整体浸没在可控温导热油的油桶中并放入压力罐，通过控制芯模和油桶中的油温以及控制芯模中的油位，使缠绕体自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外、自下而上的进行，由于缠绕体上部的温度较低，固化反应进行的缓慢，固化过程中产生的挥发分可以有足够的时间逃逸，固化过程中酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体外侧和顶部的材料完全固化，然后给压力罐减压至常压，抽出芯模和油桶里的导热油，自然冷却后出炉，完成固化，能使预浸胶布带缠绕体的固化过程由内而外逐渐进行，树脂中的挥发分都有机会和足够的时间被抽出，借助压力罐的压力可使尚未固化的部分能够及时的填充酚醛树脂固化过程中的体积收缩，从而避免产品出现气泡和分层的缺陷。

附图说明

图1为本发明径向可控温度梯度热场的渐进式固化工艺设施示意图；

其中：

压力罐19、芯模1、缠绕体2、第一导热油6、第二导热油9、出油管7、进油管8、储液桶18、控温器15和第一油泵16、油泵13及其储油槽14、保温材料4、吸胶棉3、抽气管21、耐热塑料薄膜5、油位传感器22、半球形盖门24、真空泵27、第二油泵28、第一阀门29、高压泵30、单向阀31、稳压阀32、储能罐33、抽气阀36。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1，采用专用液压罐的本发明一种具有梯度热场的固化方法，是将缠绕体2整体浸没放入液压罐19，通过控制液压罐19中的油温和芯模1中的油温以及控制芯模1中的油位，使缠绕体2自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外自下而上的进行，由于缠绕体上部的温度较低，固化反应进行的缓慢，固化过程中产生的挥发分可以有足够的时间逃逸，固化过程中酚醛树脂的体积会发生收缩，而外部未固化部分在压力作用下不断向内挤压填充，当缠绕体2整体温度都达到最高固化温度后继续保持一定时间，使缠绕体2外侧和顶部的材料完全固化，然后给液压罐19减压至常压，抽出芯模1和液压罐19里的导热油6和导热油9，冷却后出炉。

液压罐19的进油管口设在液压罐19的底部，抽油管的管口设在液压罐19的上部；芯模1在能抵抗罐内最大压力的前提下尽量采用薄壁结构，以减小热量沿轴向传递，芯模1内的进油管的管口设在芯模内顶部，出油管的管口设在底部，并在芯模内设置油位传感器22，芯模进油油泵13和抽油油泵23的控制器协调工作控制芯模内的热油油位。

为防止液压罐19加压后吸胶棉3被压缩的厉害而使其的吸胶能力大幅下降，可在芯模1的上端包裹的吸胶棉3的外侧或内部加入承压能力较好的金属圈或网架。

固化温控程序：

1、对缠绕在芯模1上的缠绕体2和芯模1进行密封隔离处理，在芯模1的下端由保温材料4进行绝热，在芯模1的上端采用吸胶棉3包裹并连接在最顶部设有抽气管21的管口，最后采用导热性良好的耐热塑料薄膜5从外面进行整体气密包裹。然后将已密封隔离处理好的缠绕体2安置在液压罐19底部的支撑座上，连接相应的油电油管道后，将液压罐19的半球形盖门24锁闭并关闭所有阀门。

2、开始进行固化程序：

ⅰ)打开抽气阀36，开动真空泵27对包裹喷管缠绕件2的真空膜5内侧抽气并对液压罐19内进行抽真空，待液压罐19内空气压力≤100Pa关闭抽气阀36，真空泵27继续；

ⅱ)打开第一阀门29，储液桶18内的导热油在大气压的作用下通过管道并穿过加热/冷却器15给液压罐19内充导热油，充满后关闭第一阀门29；

ⅲ)打开第二阀门34、开动油泵28和加热/冷却器15对液压罐19内的导热油进行加热，开动油泵13和加热器12给芯模1内腔注入热导油；

ⅳ)调整稳压阀32的动作阈值为0MPa,当液压罐19内的导热油被加热到70℃、芯模1内腔的热导油70℃后保温3h，使缠绕体2内的挥发分尽量排出；

ⅴ)调整稳压阀32的动作阈值为5MPa,开动高压泵30将储液桶18里的导热油经单向阀31注入液压罐19，当压力达到5MPa关闭高压泵30，在储能罐33的作用下维持液压罐19内的压力恒定；

ⅵ)保持液压罐19压力5Mpa油温70℃，5min内给芯模1内注满120℃导热油6后保温2h，将多余的树脂挤出，使内层初步固化)；

ⅶ)调整稳压阀32的动作阈值为20MPa,开动高压泵30将储液桶18里的导热油经单向阀31注入液压罐19，当液压罐19内压力达到20MPa关闭高压泵30，在储能罐33的作用下维持液压罐19内的压力恒定；5min内抽空芯模中的导热油6；

ⅷ)液压罐19保压20Mpa、油温升至80℃，给芯模1内部注入160℃热导热油，并以5mm/min的上升速率提升芯模内部注入的导热油位；

ⅸ)芯模1内部导热油注满后保持油温160℃，然后以60℃/h的升温速率将液压罐19内的油温升至160℃，然后保温2h；

ⅹ)抽出芯模1的导热油，以-60℃/h的速率对液压罐19内的导热油进行降温并缓慢调低稳压阀32的动作阈值将给液压罐19的压力降到零；

xi)待液压罐19内的油温≦40℃后，打开第三阀门35将液压罐19内的导热油放出并回流到储油箱18；

xii)待液压罐19内外压力平衡后，开启半球形盖门24，分离电油连接器，然后将缠绕体2整体吊出。

Claims (9)

1.一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，包括压力罐（19）、芯模（1）、缠绕体（2）、第一导热油（6）、第二导热油（9）、第一循环控温装置和第二循环控温装置；压力罐（19）内填充有第二导热油（9），芯模（1）浸没在第二导热油（9）中，缠绕体（2）缠绕设置在芯模（1）上；芯模（1）为中空密封芯模，芯模（1）内设置有第一导热油（6）；第一循环控温装置与压力罐（19）内部连通，第二循环控温装置与芯模（1）内部连通；

缠绕体（2）外侧包裹有耐热塑料薄膜（5），芯模（1）内设置油位传感器（22）；

通过控制芯模和油桶中的油温以及控制芯模中的油位，使缠绕体自内而外形成内热外凉、下热上凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照设计的时间顺序由内而外、自下而上的进行。

2.根据权利要求1所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，第一循环控温装置包括温控器（15）、第一油泵（16）、储液桶（18）和储能罐（33）；储液桶（18）的底部连接出液管，出液管分为两路，一路连接第一油泵（16），第一油泵（16）连接温控器（15），温控器（15）连接压力罐（19）底部；另一路分为三路，一路连接储能罐（33），一路连接储液桶（18）顶部，另一路连接压力罐（19）顶部；第一油泵（16）和温控器（15）之间的管路与连接压力罐（19）顶部的管路连通。

3.根据权利要求2所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，第一油泵（16）和储液桶（18）出液管之间设置有第二油泵（28）和第一阀门（29）。

4.根据权利要求2所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，连接到储能罐（33）的管路上设置有高压泵（30）和单向阀（31）；连接储液桶（18）顶部的管路上设置有稳压阀（32）；连接压力罐（19）顶部的管路上设置有第一阀门（29）。

5.根据权利要求1所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，第二循环控温装置包括温控器（12）、储油槽（14）、出油管（7）和进油管（8）；储油槽（14）设置在压力罐（19）外侧；进油管（8）的两端分别连通芯模（1）和储油槽（14）；出油管（7）的两端分别连通芯模（1）和热装置储油槽（14）；温控器（12）设置在进油管（8）上。

6.根据权利要求5所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，进油管（8）和出油管（7）上分别设置有油泵（13）和抽油油泵（23）。

7.根据权利要求1所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，芯模（1）的顶部采用吸胶棉（3）包裹，并在最顶部设有抽气管（21）；芯模（1）的下端设置有保温材料（4）；抽气管（21）上设置有真空泵（27）和抽气阀（36），抽气阀另一端的管道与压力罐（19）内侧相连。

8.根据权利要求1所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置，其特征在于，压力罐（19）顶部为半球形盖门（24），半球形盖门（24）和压力罐（19）密封连接形成密封罐体，半球形盖门（24）与压力罐（19）之间设有密封圈（25）。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种具有梯度热场的渐进式固化装置的固化方法，其特征在于，包括以下步骤：

将密封隔离处理好的缠绕体（2）安置在压力罐（19）内，并关闭所有阀门给压力罐加压；

通过第一循环控温装置和第二循环控温装置控制芯模内部（1）和油桶（20）的油温，使缠绕体（2）自内而外形成内热外凉的梯度热场，控制和改变梯度热场中最高固化温度面的位置，使固化反应按照时间顺序由内而外地进行；

当缠绕体（2）整体温度都达到了设定的最高固化温度后继续保持，使缠绕体（2）外侧的材料完全固化；

然后给压力罐（19）减压至常压，抽出芯模（1）里的导热油（6）和压力罐（19）里的导热油（9），开启半球形盖门（24），然后将缠绕体（2）整体吊出。

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