CN114486552B - 一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法和装置，该装置包括：底板；拉伸套，其一端可拆卸的连接在底板上；限位台阶，其固定设置在拉伸套的另一端的内壁上；底板的一侧开设有凹槽，凹槽位于限位台阶的同侧；绝缘垫，其固定设置在凹槽中；缠绕芯模，其一端设置在绝缘垫上；另一端穿过限位台阶的通孔延伸至拉伸套的外部；缠绕芯模和底板分别与电源的两极连接，使试样的内侧面和试样的外侧面分别与电源的两极接通；冷却套，其套设在拉伸套上；第一冷却通道，其开设在缠绕芯模内；第二冷却通道，其开设在冷却套中；冷却循环泵，其用于向第一冷却通道和第二冷却通道中输送冷却水，并且回收第一冷却通道和第二冷却通道中排出的冷却水。
Description
技术领域
本发明属于固体火箭发动机技术领域，特别涉及一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法和装置。
背景技术
一体化喷管一般包括烧蚀层、隔热层、铺放层、壳体结构层等，在成型过程中，常通过平叠缠绕、斜叠缠绕、铺放以及Z-pin植入等工艺方法将多层材料复合到一起。
传统形式的固体火箭发动机喷管结构形式如图1所示，其包括喉衬1、烧蚀层平缠件2、金属法兰3和外烧蚀层模压件4；此种喷管的制造方法通常是预先将各部件通过模压或缠绕的方式成型，然后通过胶层粘接固化的方式将几种零件组合成为整体产品，因此，各部件间的界面性能主要取决于胶层的性能及粘接质量。因此，考察胶层的粘接性能即可表征各结构间的界面性能。近年来，随着固体火箭发动机领域的快速发展，喷管结构逐渐朝着一体化与轻量化方向发展。相比与传统形式喷管，一体化复合材料喷管不仅结构较复杂，工艺方法也趋向于多样化，这大大提升了喷管结构的可设计性与整体使用性能。如图2所示，典型的一体化喷管通常由喉衬、入口锥、内外烧蚀层、内外隔热层、铺放层及复合材料壳体组成，图2中，1为喉衬，2为内烧蚀层斜缠部分，3为内烧蚀层平缠部分，4为Z-pin增强铺放层，5为内隔热层，6为复材壳体，7为入口锥，8为外隔热层，9为外烧蚀层；制造过程中通过布带平叠缠绕、斜叠缠绕、铺放、Z-pin层间增强等技术方法进行多层材料的复合，并通过分次固化或共同固化的方式最终成型。由于一体化喷管结构中存在多种界面形式，界面间的耦合情况成为了表征喷管整体性能的关键指标，尤其是在较高温度场下的界面应力水平，更是成为了火箭发射任务胜败的关键因素。然而，目前仍没有特定的手段考察一体化喷管高温环境的界面性能，设计人员只能通过测试平板随炉试样的方法来表征材料的常温界面性能，此种试样只能采取铺放工艺，而非缠绕工艺进行制作，无法对缠绕参数或工艺变化对试样界面性能的影响进行表征。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，其能够对一体化喷管的界面性能进行表征测试。
本发明还有一个目的是提供一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其能够表征测试一体化喷管的界面性能，得到客观、准确的测试结果。
本发明提供的技术方案为：
一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，包括如下步骤：
底板；
拉伸套，其为筒状，所述拉伸套的一端可拆卸的连接在所述底板上；
限位台阶，其为环形，并且同轴固定设置在所述拉伸套的另一端的内壁上；
其中，所述底板的一侧开设有凹槽，所述凹槽位于所述限位台阶的同侧；
绝缘垫，其固定设置在所述凹槽中；
缠绕芯模，其一端设置在所述绝缘垫上；另一端穿过所述限位台阶的通孔延伸至所述拉伸套的外部；
其中，待测试的试样固化在所述缠绕芯模上，所述试样包括内层试样和外层试样；所述内层试样套设在所述缠绕芯模上，所述外层试样套接在所述内层试样上；所述通孔的内径大于所述内层试样的外径，所述并且所述外层试样的外表面与所述拉伸套接触；
所述缠绕芯模和所述底板分别与电源的两极连接，使所述内层试样的内侧面和所述外层试样的外侧面分别与电源的两极接通；
冷却套，其套设在所述拉伸套上；
第一冷却通道，其开设在所述缠绕芯模内；
第二冷却通道，其开设在所述冷却套中；
冷却循环泵，其用于向所述第一冷却通道和所述第二冷却通道中输送冷却水，并且回收第一冷却通道和所述第二冷却通道中排出的冷却水。
优选的是，所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，还包括：
连接柱，其一端固定连接在所述底板的另一侧，并与所述缠绕芯模同轴设置；
第一绝缘环，其固定连接在所述连接柱的另一端上；
第二绝缘环，其固定连接在所述缠绕芯模位于所述拉伸套外部的一端上。
优选的是，所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，还包括：
测温元件，其设置在所述内层试样的外侧面上。
优选的是，所述第一冷却通道为螺旋形通道，其围绕所述缠绕芯模的中心轴螺旋式缠绕设置。
优选的是，所述缠绕芯模包括平缠芯模和斜缠芯模，所述平缠芯模和所述斜缠芯模同轴固定连接；
其中，所述平缠芯模的外侧面为圆柱面，所述斜缠芯模的外侧面为圆锥面。
一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，采用所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，包括如下步骤：
步骤一、在缠绕芯模上制备环形的试样，所述试样包括内层试样和外层试样；
步骤二、将所述缠绕芯模连同所述试样安装在界面性能表征的装置中；
其中，所述缠绕芯模的一端设置在底板的绝缘垫上，所述外层试样的外表面与拉伸套接触，并且所述外层试样的顶端抵靠在拉伸套的限位台阶上；
步骤三、将缠绕芯模的另一端和底板分别与试验机的加载机构连接，将所述缠绕芯模和所述底板分别与电源的两极连接，接通电源、开启冷却循环泵；
步骤四、内层试样和外层试样之间的界面温度达到测试温度，并且保持到设定时间后，开启试验机对试样施加拉伸载荷，直到试样界面被破坏；得到加载过程的应力应变曲线。
优选的是，在所述步骤四中，测试温度为1800±5℃。
优选的是，在所述步骤四中，试验机的加载速度为1～5mm/min。
优选的是，在所述步骤三中，试验机的加载机构通过第一绝缘环与所述缠绕芯模连接，所述加载机构通过第二绝缘环与所述底板连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置可以实现一体化喷管界面高温环境测试，即获得喷管高温载荷下的界面强度数据，从而对一体化喷管制备过程产生的质量控制异常情况进行预报，避免由于表征方法欠缺造成火箭发动机工作过程中喷管部件失效，酿成严重火箭发射事故。
(2)按照本发明方法制备的界面性能试样，可以真实还原一体化喷管原材料性能、工艺方法及参数、固化过程等影响下的产品性能，按照该性能表征方法得出的测试数据可以直观表征各功能层界面强度，真正的对产品实现无损伤客观评价。
(3)本发明采用制备环形试样的结构形式，能够真实表征一体化喷管的结构特点，相较于平板检测形式更具备说服力。
附图说明
图1为传统一体化喷管结构示意图。
图2为典型的一体化复合材料喷管结构示意图。
图3为本发明所述的用于平缠试样测试的装置示意图。
图4为本发明所述的缠绕芯模及平缠试样的示意图。
图5为本发明所述的用于斜缠试样测试的装置示意图。
图6为本发明所述的斜缠试样第一阶段成型示意图。
图7为本发明所述的斜缠试样第二阶段成型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图3所示，本发明提供了一种一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，包括：底板110、拉伸套120、绝缘垫130、冷却套140、第一绝缘环150、第二绝缘环160、缠绕芯模210、电源310以及冷却循环泵320。
底板110为圆盘结构，并且水平设置。拉伸套120为筒状，拉伸套120的下端可拆卸的固定连接在底板110上。拉伸套120的上端具有限位台阶121，限位台阶121为环形，并且固定设置在拉伸套120的上端的内壁上。
在本实施例中，拉伸套120为L型的回转体套筒，L型回转体的水平结构形成了限位台阶121。拉伸套120的下端与底板110通过螺栓连接。
底板120的上侧同轴开设有圆柱形的凹槽，即所述凹槽位于限位台阶121的同侧。绝缘垫130固定铺设在所述凹槽中，绝缘垫130为与所述凹槽相匹配的凹环形结构，绝缘垫130的材料为刚玉。
缠绕芯模210与拉伸套210同轴设置，缠绕芯模210的下端设置在绝缘垫130上，上端穿过限位台阶121的通孔向上延伸至拉伸套120的外部。其中，待测试的试样固化在所述缠绕芯模210上，所述试样包括内层试样410和外层试样420；内层试样410套设在缠绕芯模210上，外层试样420套接在内层试样410上；限位台阶121上的通孔的内径大于内层试样410的外径(即内层试样410能够从限位台阶121的通孔中通过，内层试样410的位置不受限位台阶121的限制)，所述并且外层试样420的外表面与拉伸套120的内壁接触。
缠绕芯模210的上端和底板110的下侧分别通过电极片311与电源310的两极连接，使内层试样410的内侧面和外层试样420的外侧面分别与电源310的两极接通。其中，电极片311的材料为黄铜。
冷却套140同轴固定套设在拉伸套120上；冷却套140为L型的回转体套筒。其中，缠绕芯模210内开设有第一冷却通道211；冷却套140内开设有第二冷却通道141。
冷却循环泵320通过管道同时与第一冷却通道211和第二冷却通道141连通。冷却循环泵320向第一冷却通道211和第二冷却通道141中输送冷却水，并且回收第一冷却通道211和第二冷却通道141中排出的冷却水。通过设置第一冷却通道211和第二冷却通道141，使装置的内部电极与外部电极间均设有高效率的冷却通道，能够防止高温测试环境下装置的蠕变。
作为优选，第一冷却通道211为螺旋形通道，其围绕缠绕芯模210的中心轴螺旋式缠绕设置；第二冷却通道141直线型通道。
作为进一步的优选，在底板110的下侧同轴固定连接有连接柱111；连接柱111的下端套设有第一绝缘环150，第一绝缘环150通过定位销与连接柱111连接。缠绕芯模210的上端套设有第二绝缘环160，第二绝缘环160通过定位销与缠绕芯模210连接。其中，第一绝缘环150和第二绝缘环160材料为刚玉。第一绝缘环150和第二绝缘环160通过定位销与试验机连接，以防止在试验过程中电流导通而引起故障。
在内层试样420的外侧面(即试样界面)上安装有测温元件，在本实施例中，所述测温元件采用测温热电偶。其中，底板110上还开设有穿线孔和管道接入口，分别用于穿过测温元件的线缆和冷却水管道。
如图4所示，作为进一步的优选，缠绕芯模210包括：平缠芯模210a和斜缠芯模210b两个部分，平缠芯模210a和斜缠芯模210b同轴固定连接。在本实施例中，平缠芯模210a和斜缠芯模210b采用止口插接+螺纹咬合的方式连接，以便于测试后试样残骸脱模。其中，平缠芯模210a的外侧面为圆柱面，所述斜缠芯模210b的外侧面为圆锥面；并且平缠芯模210a的外柱面与斜缠芯模210b的锥面采用喷砂处理。所述的平缠芯模210a的直径在100～200mm之间，斜缠芯模210b(轴向截面)的坡度在10°～30°之间。
平缠芯模210a的后端与缠绕轴220通过螺钉和定位销连接，斜缠芯模210b前端柱段与缠绕轴220端面设有的顶锥孔；通过所述顶锥孔缠绕芯模210连通缠绕轴连接在缠绕机上。
如图5所示，在另一种实施例中，所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，还包括垫环170。垫环170为圆筒结构，其可拆卸的同轴固定连接在底板110和拉伸套120之间，用以增大拉伸套120的高度。其中，垫环170与拉伸套120的内径和外径均相同。带有垫环170的装置适用于进行斜缠试样的测试。
本发明还提供了一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，包括：
一、在缠绕芯模上制备环形的试样，所述试样包括内层试样和外层试样，具体制备过程如下：
将缠绕芯模210和缠绕轴220组装完成后，整体装卡至布带缠绕机用于制备试样。本发明可以进行平缠试样和斜缠试样的测试。
图4中的试样为平缠试样，平缠试样的制备分为两个阶段，第一阶段为采用单种或异种材料的平缠或铺放工艺在平缠芯模210a上制备内层试样410；第二阶段为采用平缠或铺放工艺在内层试样410的外侧制备外层试样420。平缠试样预成型后，真空封装进行分次固化或整体共固化成型。
如图6-7所示，斜缠试样的制备同样分为两个阶段，第一阶段为在平缠芯模210a安装起缠挡环230，通过起缠锥辊240对刀调整与起缠挡环230的锥面贴合之后，在斜缠芯模210b上进行内层试样410(斜缠)成型。斜缠结束后，将多余部分修平；第二阶段为在内层试样410的外侧进行外层试样420的成型操作。其中，外侧试样420采用平缠或铺放工艺成型。斜缠试样预成型后，真空封装进行分次固化或整体共固化成型。其中，图7中即为成型后的斜缠试样。
内层试样和外层试样之间，可根据工艺需求进行Z-pin层间增强材料植入。平缠试样和斜缠试样的内层试样与外层试样厚度均在10～20mm之间，试样长度在50～150mm之间。
试样的制备工艺与待测试的一体化喷管的制备工艺完全相同，以保证测试效果的准确性。通过上述试验制备方法，能够制备出同种材料层间剪切试样，也可制备出不同材料或工艺方法之间的界面性能表征试样。
二、将缠绕轴卸下，将缠绕芯模连同试样安装在界面性能表征的装置中。
平缠试样测试时，安装方式如图3所示，斜缠试样测试，安装方式如图5所示。缠绕芯模210的下端设置在底板110的绝缘垫130上，外层试样420的外表面与拉伸套120的内壁接触，并且外层试样420的顶端抵靠在拉伸套120的限位台阶121上。
三、连接试验机，并且接通电源和冷却泵。
将缠绕芯模210的上端的第二绝缘环160和底板110的连接柱111上的第一绝缘环150分别与试验机的加载机构(图中未示出)连接。其中，第一绝缘环150通过连接销孔150a与试验机的底座连接，第二绝缘环160通过连接销孔160a与试验机的横梁连接。将缠绕芯模210和底板110分别通过电极片311与电源310的两极连接；缠绕芯模210与试样内侧接触，作为内部电极，拉伸套120与试样外侧接触作为外部电极，内部电极和外部电极间存在绝缘垫130；接通电源，电源通过底板110和缠绕芯模210与试样接通形成闭合回路。同时，开启冷却循环泵320；并且通过测温热电偶监测试样界面处的温度。
四、试验机对试样施加载荷，监测加载试验过程得到应力应变曲线。
根据电流热效应公式Q＝I2Rt，试样由于自身电阻产热而升温，调节电流大小，试样的热量积累与损失达到平衡，根据测温热电偶示数可实现试样温度的可控。调节电源电流大小控制试样界面的温度，直到内层试样和外层试样之间的界面温度达到测试温度，并且保持到设定时间后，开启试验机对试样施加拉伸载荷，进行试样的界面性能表征测试，直到试样界面被破坏；得到加载过程的应力应变曲线。
其中，所述测试温度设置为1800±5℃，设定时间为1～10min。
作为优选，试验机的加载速率设定为1～5mm/min。
试验结束后，可通过对加载过程的应力应变曲线进行分析，研究界面破坏过程，并获得界面强度等信息。
实施例1
采用本发明提供的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法及装置，进行一体化喷管高温环境下烧蚀层平缠与隔热层平缠界面间剪切强度的测试，试样制备与表征方法如下：
S1、按照图4方式对缠绕芯模和缠绕轴进行组装，选用规格为50mm的碳布/钡酚醛进行布带平叠缠绕(内层试样)，缠绕厚度为20mm，缠绕宽度为100mm；
S2、在碳布层外部选用规格为45mm的高硅氧布/钡酚醛进行平叠缠绕(外层试样)，缠绕厚度为15mm，缠绕宽度为90mm；
S3、将烧蚀层、隔热层进行整体真空封装，封装完毕后进行热压罐固化，固化温度范围为100～200℃，固化时间为40～45h，固化压力为2～5MPa；
S4、固化结束后对外部电极接触的试样面进行修平，并按照图3状态组装装置；
S5、将装置安装至试验机，接通冷却循环系统，电源与温度传感器。调节电源电流，控制试样温度达到1800±5℃，保持10min，之后试验机开始加载直至试样破坏，加载速度为2mm/min，测出1800℃/10min条件下烧蚀层与隔热层间的界面剪切强度；
S6、按照以上方法可制备在一定工艺参数下“平缠+平缠”或“平缠+铺放”试样，同时可表征给定温度与时间条件下材料间的界面剪切强度。
实施例2
采用本发明提供的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法及装置，进行验证烧蚀层斜缠与铺放+增强碳针界面间剪切性能的测试，制样与测试过程如下：
S1、按照图6方式对缠绕芯模和缠绕轴进行组装，缠绕机安装起缠锥辊并调整至设计角度进行试样缠绕，斜缠布带宽度为30mm，缠绕厚度为15mm；
S2、斜缠结束后对试样修平处理，在修平后的型面上进行外层试样起缠或铺放；
S3、在试样外层进行碳布铺放+增强碳针植入，铺放层厚度为10mm，碳针植入内层斜缠部分深度≥3mm；
S4、进行整体真空封装，封装完毕后进行热压罐固化，固化温度范围为100～200℃，固化时间为40～45h，固化压力为2～5MPa；
S5、固化结束后对拉试样端面进行加工，并按照图5状态组装装置；
S6、将装置安装至试验机，接通冷却循环系统，电源与温度传感器。调节电源电流，控制试样温度达到1800±5℃，保持1min，之后试验机开始加载直至试样破坏，加载速度2mm/min，测出1800℃/1min条件下烧蚀层与铺放层间的界面剪切强度。
本发明可以实现一体化喷管界面高温环境测试，即获得喷管高温载荷下的界面强度数据，从而对一体化喷管制备过程产生的质量控制异常情况进行预报，避免由于表征方法欠缺造成火箭发动机工作过程中喷管部件失效，酿成严重火箭发射事故。
按照本发明方法制备的界面性能试样，可以真实还原一体化喷管原材料性能、工艺方法及参数、固化过程等影响下的产品性能，按照该性能表征方法得出的测试数据可以直观表征各功能层界面强度，真正的对产品实现无损伤客观评价。采用本发明方法可制备环形试样的结构形式，能够真实表征一体化喷管的结构特点，相较于平板检测形式更具备说服力。
本发明公开的表征方法及装备，可通过缠绕轴装卡至布带缠绕机，制备出不同缠绕参数及工艺方法的界面性能试样。本装置可通过试样自身电阻加热的方式产生高温环境，可用于高温环境下一体化喷管界面性能的表征。另外，为了防止高温环境下装置的蠕变，装置的内部电极与外部电极间均设有高效率的冷却通道。本装置性能可靠，结构小巧灵活，不仅可以对一体化喷管的制备过程进行质量控制，也为一体化喷管的工艺研究提供了可靠的试验基础。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，采用的一体化喷管高温环境界面性能表征的装置，包括：
底板；
拉伸套，其为筒状，所述拉伸套的一端可拆卸的连接在所述底板上；
限位台阶，其为环形，并且同轴固定设置在所述拉伸套的另一端的内壁上；
其中，所述底板的一侧开设有凹槽，所述凹槽位于所述限位台阶的同侧；
绝缘垫，其固定设置在所述凹槽中；
缠绕芯模，其一端设置在所述绝缘垫上；另一端穿过所述限位台阶的通孔延伸至所述拉伸套的外部；
其中，待测试的试样固化在所述缠绕芯模上，所述试样包括内层试样和外层试样；所述内层试样套设在所述缠绕芯模上，所述外层试样套接在所述内层试样上；所述通孔的内径大于所述内层试样的外径，所述并且所述外层试样的外表面与所述拉伸套接触；
所述缠绕芯模和所述底板分别与电源的两极连接，使所述内层试样的内侧面和所述外层试样的外侧面分别与电源的两极接通；
冷却套，其套设在所述拉伸套上；
第一冷却通道，其开设在所述缠绕芯模内；
第二冷却通道，其开设在所述冷却套中；
冷却循环泵，其用于向所述第一冷却通道和所述第二冷却通道中输送冷却水，并且回收第一冷却通道和所述第二冷却通道中排出的冷却水；
其中，所述缠绕芯模包括：平缠芯模和斜缠芯模；平缠芯模和斜缠芯模采用止口插接和螺纹咬合的方式同轴固定连接；
平缠芯模的外侧面为圆柱面，斜缠芯模的外侧面为圆锥面；平缠芯模的外柱面与斜缠芯模的锥面采用喷砂处理；
所述一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，包括如下步骤：
步骤一、在缠绕芯模上制备环形的试样，所述试样包括内层试样和外层试样；
步骤二、将所述缠绕芯模连同所述试样安装在所述界面性能表征的装置中；
其中，所述缠绕芯模的一端设置在底板的绝缘垫上，所述外层试样的外表面与拉伸套接触，并且所述外层试样的顶端抵靠在拉伸套的限位台阶上；
步骤三、将缠绕芯模的另一端和底板分别与试验机的加载机构连接，将所述缠绕芯模和所述底板分别与电源的两极连接，接通电源、开启冷却循环泵；
步骤四、内层试样和外层试样之间的界面温度达到测试温度，并且保持到设定时间后，开启试验机对试样施加拉伸载荷，直到试样界面被破坏；得到加载过程的应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，所述一体化喷管高温环境界面性能表征的装置还包括：
连接柱，其一端固定连接在所述底板的另一侧，并与所述缠绕芯模同轴设置；
第一绝缘环，其固定连接在所述连接柱的另一端上；
第二绝缘环，其固定连接在所述缠绕芯模位于所述拉伸套外部的一端上。
3.根据权利要求2所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，所述一体化喷管高温环境界面性能表征的装置还包括：
测温元件，其设置在所述内层试样的外侧面上。
4.根据权利要求2或3所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，所述一体化喷管高温环境界面性能表征的装置中的第一冷却通道为螺旋形通道，其围绕所述缠绕芯模的中心轴螺旋式缠绕设置。
5.根据权利要求4所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，在所述步骤四中，测试温度为1800±5℃。
6.根据权利要求5所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，在所述步骤四中，试验机的加载速度为1～5mm/min。
7.根据权利要求6所述的一体化喷管高温环境界面性能表征的方法，其特征在于，在所述步骤三中，试验机的加载机构通过第一绝缘环与所述缠绕芯模连接，所述加载机构通过第二绝缘环与所述底板连接。
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