CN115286477A - 一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构 - Google Patents

一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，界面结构包含但不限于“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”等，利用增材制造切片软件绘制界面结构，通过增材制造技术制备成型。设计的固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构可以通过物理“咬合”的方式进一步加强推进剂/包覆层界面的粘结强度，降低界面“脱粘”风险；该结构具有简单实用，工程上实现便捷，适用于各种包覆层、固体推进剂、增材制造方式及不同工况条件。

Description

一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构
技术领域
本发明涉及固体推进剂制造技术领域，具体为固体推进剂/绝热层一体化增材制造界面结构的设计。
背景技术
随着武器装备的不断发展和迭代，固体火箭发动机对固体推进剂结构及药柱性能的要求也越来越高，包覆层作为确保发动机结构完整的重要部件，既要有较好的力学性能，又要和固体推进剂有良好的粘结性能。现有的制备工艺采用先制备包覆层与固体推进剂，后依靠衬层进行粘接来实现装配，包覆层与固体推进剂界面处容易产生裂纹造成脱粘，存在很大的安全隐患。针对上述问题，研究人员提出使用增材制造技术一体化制造包覆层/药柱加以解决。
目前，关于固体推进剂/包覆层一体化增材制造已有公开报道，内容主要集中在通过光固化、熔融沉积等手段实现包覆层、固体推进剂的同步制备，以提升粘结界面的力学性能。但目前推进剂/包覆层一体化增材制造界面均采用平滑方式粘接，界面为单一的圆弧形结构，无法为界面的牢固粘结提供多重保障，推进剂/包覆层界面依然存在脱粘的隐患。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明设计一种增材制造过程中推进剂/包覆层界面结构，为推进剂/包覆层界面的牢固粘结提供进一步保障。该方法设计了一种类似“拉链”结构的推进剂/包覆层界面，通过特殊结构加强界面的物理连接强度，实现界面牢固结合，进一步减少界面脱粘的隐患。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过增材制造切片软件绘制出“拉链式”界面结构，推进剂/包覆层按设定的结构进行增材制造一体化成型。
所述“拉链式”界面结构包括固体推进剂、包覆于固体推进剂外部的包覆层，固体推进剂和包覆层之间为界面2。包覆层穿过界面向固体推进剂方向延伸，形成与固体推进剂的凹槽配合的第一连接部；固体推进剂穿过界面向包覆层的方向延伸，形成与包覆层的凹槽配合的第二连接部；第一连接部和第二连接部对称咬合。
沿着从所述固体推进剂轴线指向固体推进剂周向的多个径向方向上，至少一个径向方向上出现先第二连接部、后第一连接部。
所述“拉链式”界面结构包括但不限于“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”。
所述第二连接部与第一连接部结构相同。
所述L型结构的第一连接部的沿着固体推进剂径向方向的长度为固体推进剂直径的1/200—1/50，轴线方向长度为固体推进剂直径的1/100—1/25，与包覆层连接位置的宽度为固体推进剂直径的1/200—1/100。包覆层与第一连接部沿着固体推进剂周向方向的一端连接。
所述T型结构的第一连接部的径向长度为固体推进剂直径的1/100—1/50，轴线方向长度为固体推进剂直径的1/100—1/25，与包覆层连接位置的宽度为固体推进剂直径的1/200—1/100。包覆层与第一连接部沿着固体推进剂周向方向的中部连接。
所述梯形结构的第一连接部的上底长度为固体推进剂直径的1/100—1/50，下底长度为固体推进剂直径的1/50—1/25，高为固体推进剂直径的1/50—1/25；第一连接部的下底连接于包覆层，第二连接部的下底连接于固体推进剂。包覆层与第一连接部的下底连接。
所述圆形结构的第一连接部的半径为固体推进剂直径的1/200—1/100,第一连接部与固体推进剂连接的位置对应的圆心角为180°—240°。
所述扇形结构的第一连接部的弧度为20°—90°，半径为固体推进剂直径的1/200—1/100。第一连接部与包覆层的连接边缘垂直于第一连接部圆心角的角平分线，第一连接部与包覆层的连接边缘尺寸为第一连接部半径的1/4—1/2。
上述轴线方向垂直于第一连接部中心所在的固体推进剂径向方向以及固体推进剂轴线方向。
界面周向上，所述第一连接部和第二连接部的数量为0.20-1.08个/mm。第一连接部和第二连接部交错且均匀分布于固体推进剂的周向。
所述包覆层为任意一种绝热材料；固体推进剂为任意一种固体固体推进剂；增材制造方式为任意一种增材制造成型方式；界面结构绘制软件为任意一种增材制造切片软件。
具体的，界面结构绘制软件可以为Simplify3D切片软件、Cura切片软件、ideaMaker切片软件、PrusaSlicer切片软件等。
具体的，增材制造方式可以为材料挤出成型技术、光固化立体成型技术、喷墨打印成型技术等。
具体的，所述包覆层可以为聚氨酯类(TPU)包覆层、聚酰胺类(TPE-A)包覆层、聚苯乙烯类(TES)包覆层、丁羟类(HTPB)包覆层、聚氨酯类(PU)包覆层、丙烯酸基聚合物类包覆层、弹性体胶乳包覆层等。
具体的，所述固体推进剂可以为石蜡基固体推进剂、热塑性固体推进剂、热固化复合固体推进剂、光固化固体推进剂、CTPB推进剂、HTPB固体推进剂、NEPE高能固体推进剂等。
当包覆层为HTPB类包覆层时，固体推进剂为HTPB推进剂，增材制造方式为材料挤出成型；当包覆层为丙烯酸基聚合物类包覆层时，固体推进剂为光固化固体推进剂，增材制造方式为光固化立体成型技术；当包覆层为弹性体乳胶包覆层时，固体推进剂为热塑性固体推进剂，增材制造方式为喷墨打印成型技术等。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
1、本发明提出的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，通过切片软件绘制模型，利用增材制造设备一体化成型。特殊的界面结构设计可以加强界面的物理结合强度，为界面的牢固结合提供进一步的保障，减少推进剂/包覆层界面脱粘的风险。
2、本发明设计的固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，具有操作简单，工程上实现便捷，适用于各种不同的包覆层、不同的固体推进剂、不同的增材制造方式及不同的工况条件。该界面结构不会影响推进剂/包覆层的整体性能，且加固了推进剂/包覆层界面的结合强度。
附图说明
图1为传统固体推进剂/包覆层及其界面结构剖面图。
图2为本申请实施例中的固体推进剂/包覆层及“L型结构”界面剖面图、以及“L型结构”界面的局部放大图。
图3为固体推进剂/包覆层“T型结构”界面的局部放大图。
图4为固体推进剂/包覆层“梯形结构”界面的局部放大图。
图5为固体推进剂/包覆层“圆形结构”界面的局部放大图。
图6为固体推进剂/包覆层“扇形结构”界面的局部放大图。
图7为固体推进剂/包覆层“异形结构”界面的局部放大图。
附图标记说明：1、包覆层；11、第一连接部；2、界面；3、固体推进剂；31、第二连接部。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例中，普通结够为固体推进剂/包覆层之间是图1中的圆弧形界面。
界面结构包括固体推进剂3、包覆于固体推进剂3外部的包覆层1，固体推进剂3和包覆层1之间为界面2；包覆层1穿过界面向固体推进剂3方向延伸，形成与固体推进剂3的凹槽配合的第一连接部11；固体推进剂3穿过界面向包覆层1的方向延伸，形成与包覆层1的凹槽配合的第二连接部31；第一连接部11与第二连接部31咬合。沿着从固体推进剂3轴线指向包覆层1周向的多个径向方向上，至少一个径向方向上出现先第二连接部31、后第一连接部11。
实施例1
固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构设计，其界面结构分别采用“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”，剖面局部放大图分别如图2-图7所示。
固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构的具体制备方法为：
固体推进剂/包覆层界面结构通过Simplify3D切片软件绘制，通过双喷头螺杆挤出式增材制造设备实现固体推进剂/包覆层一体化成型。
固体推进剂3为改性后丁羟推进剂，具体成份及质量分数为：粘合剂端羟基聚丁二烯8％，增塑剂KZ4％，弹性体RE为5％，氧化剂高氯酸铵65％，金属燃料铝粉17％，固化剂甲苯二异氰酸酯0.3％，其他功能助剂0.7％。包覆层1具体成份及质量分数为HTPB11％，KZ6％，弹性体RE为5％，三元乙丙橡胶19％，石棉28％，白炭黑30％，TDI0.4％，其他功能助剂0.6％。
本实施例中，L型结构的尺寸径向长度为1mm，轴线方向长度为2mm，L型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.5mm，固体推进剂3直径为100mm，该“L型结构”的个数为157个；T型结构的尺寸径向长度为1mm，轴线方向长度为3mm，T型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.5mm，固体推进剂3直径为100mm，该“T型结构”的个数为105个；梯形结构的尺寸上底长度为1mm，下底长度为3mm，高为2mm，固体推进剂3直径为100mm，该“梯形结构”的个数为157个；圆形结构尺寸半径为1.5mm，圆形结构的第一连接部与包覆层1连接的位置对应的圆心角为190°，固体推进剂3直径为100mm，该“圆形结构”的个数为105个；扇形结构尺寸弧度为90°，半径为1mm，扇形结构的第一连接部与包覆层1的连接边缘尺寸为0.5mm，固体推进剂3直径为100mm，该“扇形结构”的个数为225个；异形结构径向长度为3mm，轴线方向长度为2mm，固体推进剂3直径为100mm，该“异形结构”的个数为157个。
固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面粘接强度的具体测试方法为：
根据“固体火箭发动机燃烧室界面粘结强度测试方法”(标准号：Q/G173-2008)，按照标准试样尺寸一体化增材制造固体推进剂/包覆层，在20℃、20mm/min的拉伸速度下测得“L型结构”试样的界面粘结强度，并在相同条件下测试普通圆弧形界面试样的粘结强度，每个数据点测试样品不少于5个。
测试结果：
界面结构 普通结构 L型结构 T型结构 梯形结构 圆形结构 扇形结构 异形结构
粘结强度 0.42MPa 0.48MPa 0.53MPa 0.46MPa 0.46MPa 0.51MPa 0.45MPa
结果表明，通过螺杆挤出成型方式，在固体推进剂/包覆层界面间制备“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”的界面结构层，有助于增强固体推进剂/包覆层界面的粘合强度。
实施例2
固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构设计，其界面结构分别采用“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”，剖面局部放大图分别如图1-图6所示。
固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构的具体制备方法为：
固体推进剂/包覆层界面结构通过Cura切片软件绘制，通过紫外光固化增材制造设备制备成型，固体推进剂3具体成份及质量分数为：聚酯型聚氨酯丙烯酸酯19％，己二醇二丙烯酸酯12％，二苯基氧化膦3％，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯4％，高氯酸按50％，铝粉8％，其他功能助剂4％。包覆层1具体成份及质量分数为聚酯型聚氨酯丙烯酸酯35％，己二醇二丙烯酸酯20％，二苯基氧化膦3％，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯3％，石棉24％，氧化锌7％，癸二酸二异辛酯6％，其他功能助剂2％。
本实施例中，L型结构的尺寸径向长度为2mm，轴线方向长度为3.5mm，L型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为1mm，固体推进剂3直径为150mm，该“L型结构”的个数为136个；T型结构的尺寸径向长度为2mm，轴线方向长度为4mm，T型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为1mm固体推进剂3直径为150mm，该“T型结构”的个数为118个；梯形结构的尺寸上底长度为2mm，下底长度为4mm，高为3mm，固体推进剂3直径为150mm，该“梯形结构”的个数为157个；圆形结构尺寸半径为1.5mm，圆形结构的第一连接部与包覆层1连接的位置对应的圆心角为180°，固体推进剂3直径为150mm，该“圆形结构”的个数为157个；扇形结构尺寸弧度为60°，半径为1.5mm，扇形结构的第一连接部与包覆层1的连接边缘尺寸为0.6mm，固体推进剂3直径为150mm，该“扇形结构”的个数为314个；异形结构径向长度为4mm，轴线方向长度为5mm，固体推进剂3直径为150mm，该“异形结构”的个数为95个。
测试方法同实施例1，测试结果为：
界面结构 普通结构 L型结构 T型结构 梯形结构 圆形结构 扇形结构 异形结构
粘结强度 0.52MPa 0.58MPa 0.63MPa 0.56MPa 0.57MPa 0.60MPa 0.54MPa
结果表明，通过光固化成型方式，在固体推进剂/包覆层界面间制备“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”的界面结构层，有助于增强固体推进剂/包覆层界面的粘合强度。
实施例3
本实施例中，与实施例1的区别仅在于：L型结构的尺寸径向长度为2mm，轴线方向长度为1.5mm，L型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.6mm，固体推进剂3直径为100mm，该“L型结构”的个数为210个；T型结构的尺寸径向长度为2mm，轴线方向长度为2mm，T型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.8mm，固体推进剂3直径为100mm，该“T型结构”的个数为157个；梯形结构的尺寸上底长度为1mm，下底长度为2mm，高为2mm，固体推进剂3直径为100mm，该“梯形结构”的个数为210个；圆形结构尺寸半径为1mm，圆形结构的第一连接部与固体推进剂3连接的位置对应的圆心角为200°，固体推进剂3直径为100mm，该“圆形结构”的个数为157个；扇形结构尺寸弧度为60°，半径为1.5mm，扇形结构的第一连接部与固体推进剂3的连接边缘尺寸为0.5mm，固体推进剂3直径为100mm，该“扇形结构”的个数为210个；异形结构径向长度为2mm，轴线方向长度为1mm，固体推进剂3直径为100mm，该“异形结构”的个数为314个。
测试方法同实施例1，测试结果为：
界面结构 普通结构 L型结构 T型结构 梯形结构 圆形结构 扇形结构 异形结构
粘结强度 0.42MPa 0.51MPa 0.55MPa 0.48MPa 0.47MPa 0.52MPa 0.48MPa
实施例4
本实施例中，与实施例2的区别仅在于：L型结构的尺寸径向长度为1mm，轴线方向长度为2mm，L型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.75mm，固体推进剂3直径为150mm，该“L型结构”的个数为236个；T型结构的尺寸径向长度为1mm，轴线方向长度为3mm，T型结构的第一连接部与包覆层1连接位置的宽度为0.8mm，固体推进剂3直径为150mm，该“T型结构”的个数为157个；梯形结构的尺寸上底长度为2mm，下底长度为3mm，高为2mm，固体推进剂3直径为150mm，该“梯形结构”的个数为189个；圆形结构尺寸半径为1mm，圆形结构的第一连接部与固体推进剂3连接的位置对应的圆心角为210°，固体推进剂3直径为150mm，该“圆形结构”的个数为236个；扇形结构尺寸弧度为90°，半径为1mm，扇形结构的第一连接部与固体推进剂3的连接边缘尺寸为0.25mm，固体推进剂3直径为150mm，该“扇形结构”的个数为337个；异形结构径向长度为3mm，轴线方向长度为2mm，固体推进剂3直径为150mm，该“异形结构”的个数为236个。
测试方法同实施例1，测试结果为：
界面结构 普通结构 L型结构 T型结构 梯形结构 圆形结构 扇形结构 异形结构
粘结强度 0.52MPa 0.60MPa 0.64MPa 0.59MPa 0.58MPa 0.63MPa 0.57MPa
本申请中，由界面结构可明显得知，第一连接部与第二连接部的数量变多，那么，第一连接部与第二连接部的尺寸必然变小。
在实施例1和实施例3中，相对于实施例1，实施例3的第一连接部和第二连接部的尺寸趋向于变小，但是数量变多，实施例3的不同界面结构的粘接强度均大于实施例1。同样的，在实施例2和实施例4中，相对于实施例2，实施例4的第一连接部和第二连接部的尺寸趋向于变小、数量变多，实施例4的不同界面结构的粘接强度均大于实施例2。说明一定范围内，较多数量的第一连接部与第二连接部咬合，提高了固体推进剂/包覆层的界面粘接强度。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：包括固体推进剂(3)、包覆于固体推进剂(3)外部的包覆层(1)，固体推进剂(3)和包覆层(1)之间为界面(2)；
包覆层(1)穿过界面(2)向固体推进剂(3)方向延伸，形成与固体推进剂(3)的凹槽配合的第一连接部(11)；
固体推进剂(3)穿过界面(2)向包覆层(1)的方向延伸，形成与包覆层(1)的凹槽配合的第二连接部(31)；
第一连接部(11)与第二连接部(31)咬合。
2.根据权利要求1所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：沿着从所述固体推进剂(3)轴线指向包覆层(1)周向的多个径向方向上，至少一个径向方向上先出现第二连接部(31)、后出现第一连接部(11)。
3.根据权利要求1所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述第一连接部(11)和第二连接部(31)形成的界面结构通过增材制造切片软件绘制，利用增材制造设备进行制备；
增材制造方式为任意一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造方式。
4.根据权利要求1所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述第一连接部(11)与相邻的两个固体推进剂(3)的凹槽、第二连接部(31)与相邻的两个包覆层(1)的凹槽形成的结构为“L型结构”、“T型结构”、“梯形结构”、“圆形结构”、“扇形结构”、“异形结构”中的任意一种或多种；第一连接部与第二连接部结构相同。
5.根据权利要求4所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述L型结构的第一连接部的沿着固体推进剂(3)径向方向的长度为固体推进剂(3)直径的1/200—1/50，轴线方向长度为固体推进剂(3)直径的1/100—1/25，轴线方向垂直于第一连接部中心所在的固体推进剂(3)径向方向、以及固体推进剂(3)轴线方向。
6.根据权利要求4所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述T型结构的第一连接部的沿着固体推进剂(3)径向方向的长度为固体推进剂(3)直径的1/100—1/50，轴线方向长度为固体推进剂(3)直径的1/100—1/25，轴线方向垂直于第一连接部中心所在的固体推进剂(3)径向方向、以及固体推进剂(3)轴线方向。
7.根据权利要求4所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述梯形结构的第一连接部的上底长度为固体推进剂(3)直径的1/100—1/50，下底长度为固体推进剂(3)直径的1/50—1/25，高为固体推进剂(3)直径的1/50—1/25。
8.根据权利要求4所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述圆形结构的第一连接部的半径为固体推进剂(3)直径的1/200—1/100。
9.根据权利要求4所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述扇形结构的第一连接部的弧度为20°—90°，半径为固体推进剂(3)直径的1/200—1/100。
10.根据权利要求1所述的一种固体推进剂/包覆层一体化增材制造界面结构，其特征在于：所述包覆层(1)为任意一种可用于增材制造的绝热材料；固体推进剂(3)为任意一种可用于增材制造的固体推进剂(3)。
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