CN114589980A - 结构防热一体化双面蒙皮格栅结构以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空制造技术领域，特别涉及一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构以及制备方法；结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其包括以碳纤维为基体的内蒙皮，以及以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，其特征在于：在内蒙皮和外蒙皮之间设有若干纵筋，所述的纵筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低；本发明设计了一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，通过对纵筋结构的改进，使得纵筋的耐热性由外蒙皮向内蒙皮逐渐降低，一方面保证了双面蒙皮结构的耐热性，同时也保证了结构的承载性，并且实现了纵筋、内蒙皮和外蒙皮的一体化成型，整体可靠性高。

Description

结构防热一体化双面蒙皮格栅结构以及制备方法
技术领域
本发明属于航空制造技术领域，特别涉及一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构以及制备方法。
背景技术
近年来随着航空航天装备向高速化、轻质化、自动化及多功能方向发展，对减轻结构重量及防热隔热功能提出了更高的要求，而采用复合材料结构件是实现减重的最有效途径，碳纤维复合材料由于其轻质、高强、可设计性的特点被广泛应用于航空航天领域。目前，高马赫数飞行器大面积舱体热防护措施主要采用在金属承载结构外成型烧蚀材料，此方法存在制备周期长、生产成本高、可靠性低的缺点。同时，金属承载结构不利于飞行器的轻量化设计。
目前典型的铝合金格栅结构在冲击荷载作用下，裂纹易传播，抗冲击性能较差，难以一体化制造，防热层靠后胶接制得，胶接强度不够容易脱粘。
进一步的，现有技术中的防热材料和结构材料都是单独进行成型，然后进行套接或者粘接的方式进行连接成整体，存在一体性较差，且容易脱粘的问题，因此，需要提出一种新的一种结构防热共固化双面蒙皮格栅结构。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明设计了一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构以及制备方法。
本发明的技术方案如下：
结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其包括以碳纤维为基体的内蒙皮，以及以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，其特征在于：在内蒙皮和外蒙皮之间设有若干纵筋，所述的纵筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
进一步的说，在纵筋、外蒙皮和内蒙皮之间填充有隔热填充物。
进一步的说，在所述的内蒙皮和相邻的纵筋之间排列有若干个防热盒型件，所述防热盒型件包括一个隔热的型芯，所述型芯的外表面包覆有增强复合材料。
进一步的说，相邻的防热盒型件的接触面之间的增强复合材料共固化成垂直于纵筋的横筋，铺设在型芯外表面的增强复合材料分别于内蒙皮、纵筋和外蒙皮一体共固化成型。
进一步的说，在相邻的防热盒型件之间铺设在内蒙皮上且与相邻的纵筋和外蒙皮一体固化成型的横筋，所述横筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
进一步的说，所述的增强复合材料由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替包覆而成。
进一步的说，所述的增加复合材料为碳纤维和石英纤维的编织布的酚醛预浸料。
进一步的说，所述的型芯为各类纤维基材复合二氧化硅气凝胶加工而成的六面体。
进一步的说，其特征在于：所述的纵筋分为与内蒙皮连接的结构层、与外蒙皮连接的隔热层，还包括设置在结构层和隔热层之间的过渡层，所述的过渡层由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替铺叠而成，或者由碳纤维和石英纤维的编织布的酚醛预浸料铺设而成。
结构防热一体化双面蒙皮格栅结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：在产品模具的表面铺放由碳纤维预浸料得到内蒙皮，
步骤2：使用纵筋模具在步骤1得到的内蒙皮的表面铺放纵筋，并与步骤1得到的内蒙皮一起进行预固化；所述的内蒙皮和纵筋的预压实温度为50-90℃，时间为1-2h，预固化的温度为100℃，时间为2h；
步骤3：在纵筋的表面包覆以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，外蒙皮通过RTM工艺包覆在纵筋上；
步骤4：将内蒙皮、纵筋和外蒙皮共固化成型，得到结构防热一体化的双面蒙皮格栅结构。
进一步的说，其特征在于：在步骤3之前，在预固化的相邻的纵筋以及内蒙皮形成的凹槽内放置若干防热盒型件。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明设计了一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，通过对纵筋结构的改进，使得纵筋的耐热性由外蒙皮向内蒙皮逐渐降低，一方面保证了双面蒙皮结构的耐热性，同时也保证了结构的承载性，并且实现了纵筋、内蒙皮和外蒙皮的一体化成型，整体可靠性高，克服了现有技术中金属承载结构方案过重以及成本高的问题，同时省去了金属承载结构的加工工序，缩短了生产周期。
2、进一步的，本发明在纵筋之间填充隔热填充物来进一步提升整个结构的防热能力，又或者，本发明在纵筋之间排列有若干个防热盒型件，防热盒型件一方面提升了整个结构的防热能力，同时防热盒型件表面的增强复合材料与内蒙皮、外蒙皮和纵筋一体固化成型，进一步的提升了本发明所述格栅结构的承载能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明在内蒙皮、外蒙皮和纵筋之间填充有隔热填充物的示意图；
图3为本发明在内蒙皮和外蒙皮之前排列有若干个防热盒型件的示意图；
图4为图3中去除外蒙皮的俯视示意图；
图5为本发明在若干防热盒型件的中间铺设横筋的去除外蒙皮的俯视示意图；
图中1为内蒙皮，2为外蒙皮，3为纵筋，4为隔热填充物，5为防热盒型件，50为型芯，51为结构防热层，6为横筋，30为结构层，31为隔热层，32为过渡层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1所示，结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其包括以碳纤维为基体的内蒙皮1，以及以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮2，其特征在于：在内蒙皮1和外蒙皮2之间设有若干纵筋3，所述的纵筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
所述的内蒙皮为ZT8E碳纤维高温环氧预浸料均匀铺放在模具上，本实施例中的纵筋3分为与内蒙皮连接的结构层30、与外蒙皮连接的隔热层31，还包括设置在结构层和隔热层之间的过渡层32，所述的过渡层由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替铺叠而成，所述的外蒙皮以石英纤维2.5D编织物的预浸料铺放在纵筋的表面，然后与纵筋和内蒙皮一起共固化成型。
本实施例通过对纵筋的结构进行了改进，纵筋采用分段式结构，使得纵筋具有一定的结构属性和防热属性，且与内蒙皮和外蒙皮共固化一体成型，使得双面蒙皮结构即能满足结构承载的需求，同时也能满足防热的需求。
实施例2
在实施例1的基础上，参见图2所示，在纵筋3、外蒙皮2和内蒙皮1之间填充有隔热填充物4，所述的隔热填充物为气凝胶复合材料，气凝胶复合材料具有较好的隔热性能，且质量很轻，在不增加结构过多负载的情况下，通过隔热填充物来进一步的提升所述结构的防热性能。
实施例3
参见图3和图4所示，结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其包括以碳纤维为基体的内蒙皮1，以及以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮2，其特征在于：在内蒙皮1和外蒙皮2之间设有若干纵筋3，所述的纵筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
进一步的，在所述的内蒙皮1和相邻的纵筋3之间排列有若干个防热盒型件5，所述防热盒型件5包括一个隔热的型芯50，所述型芯50的外表面包覆有增强复合材料。
所述的内蒙皮为ZT8E碳纤维高温环氧预浸料均匀铺放在模具上，本实施例中的纵筋分为与内蒙皮连接的结构层、与外蒙皮连接的隔热层，还包括设置在结构层和隔热层之间的过渡层，所述的过渡层由碳纤维和石英纤维的编织布的酚醛预浸料铺设而成，所述的外蒙皮以石英纤维2.5D编织物铺放在纵筋、防热盒型件的表面，然后通过RTM工艺注胶渗透石英纤维2.5D编织物与内蒙皮、纵筋和防热盒型件共固化。
更进一步的，所述的防热盒型件的型芯50为各类纤维基材复合二氧化硅气凝胶加工而成的六面体，在六面体的表面由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替包覆而成的结构防热加强层51，其在与纵筋、外蒙皮和内蒙皮共固化成型， 本实施例中相邻的防热盒型件表面的结构防热加强层在固化过程中会相互连接固化在一起，相当于形成一个与纵筋垂直的横筋，成型后防热盒型件表面的结构防热加强层具有一定的结构承载能力和防热能力，进一步的提升了结构防热一体化双面蒙皮格栅结构的防热能力和结构承载能力。
实施例4
在实施例3的基础上，参见图5所示，本实施例中的防热盒型件不是紧挨着的，在相邻的防热盒型件之间有一定的距离，在该距离内内蒙皮上铺设形成有垂直于纵筋的横筋6，该横筋6的耐热性也从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低，横筋亦采用分段式的结构设计，靠近内蒙皮一侧采用碳纤维高温环氧树脂预浸料铺设而成，靠近外蒙皮一侧采用石英纤维酚醛树脂预浸料铺设而成，在两者的中间采用碳纤维高温环氧树脂预浸料和石英纤维酚醛树脂预浸料交替铺叠的方式进行铺层，本实施例中的防热盒型件的结构防热加强层是采用碳纤维与石英纤维的编织布的酚醛预浸料铺设而成，编织布形成了交错的物理结构，增加了碳纤维和石英纤维的连接的可靠性；本实施例通过额外铺设的横筋，与纵筋形成交错的格栅结构，在此基础上结合防热盒型件的结构防热层，进一步的提升了双面蒙皮格栅结构的结构承载能力和防热能力。
结构防热一体化双面蒙皮格栅结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：在产品模具的表面铺放由碳纤维预浸料得到内蒙皮，
步骤2：使用纵筋模具在步骤1得到的内蒙皮的表面铺放纵筋，并与步骤1得到的内蒙皮一起进行预固化；所述的内蒙皮和纵筋的预压实温度为50-90℃，时间为1-2h，预固化的温度为100℃，时间为2h；
步骤3：在纵筋的表面包覆以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，外蒙皮通过RTM工艺包覆在纵筋上；
步骤4：将内蒙皮、纵筋和外蒙皮共固化成型，得到结构防热一体化的双面蒙皮格栅结构。
进一步的说，其特征在于：在步骤3之前，在预固化的相邻的纵筋以及内蒙皮形成的凹槽内放置若干防热盒型件，所述防热盒型件首先通过机加气凝胶复合材料制备型芯，然后在型芯使用ZT8E碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替铺放在型芯上，厚度为2mm。ZT8E碳纤维高温环氧预浸料4层准各向同性为一个叠组，即0.5mm的[0/45/90/-45]，石英纤维酚醛预浸料厚度为0.5mm。随后通过真空袋压预固化得到盒型件。预固化温度为100℃，时间为2h。
然后将防热盒型件一次排列在相邻纵筋和内蒙皮形成的凹槽内，相邻防热盒型件之间以预浸料铺层形成横筋，外蒙皮以石英纤维2.5D编织物铺放在纵筋、横筋和防热盒形件上，酚醛树脂通过RTM工艺注射渗透进石英纤维2.5D编织物，同内蒙皮、格栅夹层进行共固化，得到一种结构防热共固化双面蒙皮格栅结构，外蒙皮出了采用酚醛树脂以外，还可以采用石英纤维聚苯并恶嗪树脂的预浸料，或者石英纤维和聚酰亚胺树脂。
此工艺具有良好的蒙皮成型质量和结构的双面高精度的特点，具有高可靠性整体一体化制造的优点；成型效率较高，具有成本优势，节省了制造周期。同时，在制造实施的过程中仅需要提供适当压力源，不需要复杂昂贵的成型设备如热压罐等，具有成本优势。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明设计了一种结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，通过对纵筋结构的改进，使得纵筋的耐热性由外蒙皮向内蒙皮逐渐降低，一方面保证了双面蒙皮结构的耐热性，同时也保证了结构的承载性，并且实现了纵筋、内蒙皮和外蒙皮的一体化成型，整体可靠性高，克服了现有技术中金属承载结构方案过重以及成本高的问题，同时省去了金属承载结构的加工工序，缩短了生产周期。
2、进一步的，本发明在纵筋之间填充隔热填充物来进一步提升整个结构的防热能力，又或者，本发明在纵筋之间排列有若干个防热盒型件，防热盒型件一方面提升了整个结构的防热能力，同时防热盒型件表面的增强复合材料与内蒙皮、外蒙皮和纵筋一体固化成型，进一步的提升了本发明所述格栅结构的承载能力。

Claims (11)

1.结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其包括以碳纤维为基体的内蒙皮，以及以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，其特征在于：在内蒙皮和外蒙皮之间设有若干纵筋，所述的纵筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：在纵筋、外蒙皮和内蒙皮之间填充有隔热填充物。
3.根据权利要求1所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：在所述的内蒙皮和相邻的纵筋之间排列有若干个防热盒型件，所述防热盒型件包括一个隔热的型芯，所述型芯的外表面包覆有增强复合材料。
4.根据权利要求3所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：相邻的防热盒型件的接触面之间的增强复合材料共固化成垂直于纵筋的横筋，铺设在型芯外表面的增强复合材料分别于内蒙皮、纵筋和外蒙皮一体共固化成型。
5.根据权利要求3所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：在相邻的防热盒型件之间铺设在内蒙皮上且与相邻的纵筋和外蒙皮一体固化成型的横筋，所述横筋的耐热性从外蒙皮向内蒙皮逐渐降低。
6.根据权利要求3所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：所述的增强复合材料由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替包覆而成。
7.根据权利要求3所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：所述的增加复合材料为碳纤维和石英纤维的编织布的酚醛预浸料。
8.根据权利要求3所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：所述的型芯为各类纤维基材复合二氧化硅气凝胶加工而成的六面体。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构，其特征在于：所述的纵筋分为与内蒙皮连接的结构层、与外蒙皮连接的隔热层，还包括设置在结构层和隔热层之间的过渡层，所述的过渡层由碳纤维高温环氧预浸料和石英纤维酚醛预浸料交替铺叠而成，或者由碳纤维和石英纤维的编织布的酚醛预浸料铺设而成。
10.结构防热一体化双面蒙皮格栅结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：在产品模具的表面铺放由碳纤维预浸料得到内蒙皮，
步骤2：使用纵筋模具在步骤1得到的内蒙皮的表面铺放纵筋，并与步骤1得到的内蒙皮一起进行预固化；所述的内蒙皮和纵筋的预压实温度为50-90℃，时间为1-2h，预固化的温度为100℃，时间为2h；
步骤3：在纵筋的表面包覆以纤维增强耐烧蚀复合材料为基体的外蒙皮，外蒙皮通过RTM工艺包覆在纵筋上；
步骤4：将内蒙皮、纵筋和外蒙皮共固化成型，得到结构防热一体化的双面蒙皮格栅结构。
11.根据权利要求11所述的结构防热一体化双面蒙皮格栅结构的制备方法，其特征在于：在步骤3之前，在预固化的相邻的纵筋以及内蒙皮形成的凹槽内放置若干防热盒型件。
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