CN116104666A - 轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管及其制备方法 - Google Patents

轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管及其制备方法。喷管包括内隔热层和复合材料壳体，所述内隔热层和复合材料壳体之间设有蜂窝夹层。因Nomex蜂窝具有突出的比刚度，密度仅为同体积隔热层密度的4％，且其耐热性和结构稳定性优于环氧树脂，因此在保证刚度和隔热厚度的基础上可以对喷管隔热层进行减薄，使惰性质量得到了进一步减少，最高可对隔热层减重25％。相比于其他用于隔热层—壳体界面间过渡的弹性层材料，如改性丁腈橡胶，蜂窝夹层不会出现夹气、弱粘等成型缺陷，能提高复材喷管成型的良品率。芳纶纸蜂窝自身具有优秀的韧性及抗疲劳性，且耐湿热，耐腐蚀，因此适用于一体成型复合材料喷管，使其寿命及工作稳定性得到明显加强。

Description

轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管及其制备方法。
背景技术
固体火箭发动机喷管是一种非冷却型喷管，其作为火箭发动机的能量转化机构，直接承受燃烧室产生的高温、高压和高速燃气的热化学烧蚀和侵蚀作用，为保证发动机工作可靠性，要求喷管各个部件需要具备足够的强度和耐热性能，但同时为减少惰性质量又必须设计的足够轻薄。
一体化成型是实现固体火箭发动机喷管“轻质、高强”这一目标的可行办法，其结构由内到外主要包括喉衬、烧蚀层、隔热层、喷管壳体四大部件，因承担的功能不同故各部件选用的材料也不同，通过共固化方式最终成型为一个整体，由此实现功能复合协同，但目前一体化喷管成型工艺也有其弊端，主要在于以下方面：
(1)一体化成型复合材料喷管壳体部件常采用碳环氧预浸料制作，此材料虽易构型但其环氧树脂不耐高温且是可燃物，这也导致为降低传热，会将隔热层厚度增厚，间接导致增加了惰性质量。
(2)复合材料喷管壳体与隔热层制作材料不同，两者结合界面仅通过本体树脂胶接，在工作期间两种材料受热膨胀变形不匹配极易导致这一界面脱粘失效，为降低这一风险，往往于隔热层与喷管壳体间还加装了铆接结构进行Z向增强，此方式虽能防止喷管壳体失效，但由此产生的局部应力集中反而更容易导致界面脱粘异常。
鉴于复合材料一体化喷管隔热层惰性质量偏大，喷管壳体与喷管隔热层连接性能较差的问题，亟待找到一种新的成型方法用于优化现行生产工艺，提高制品可靠性。
发明内容
本发明针对一体化复合材料喷管隔热层惰性质量偏大及喷管壳体受热应力影响界面易出现脱粘失效的问题，提出了一种新的生产工艺，可在保证产品刚度的情况下进一步减少隔热层惰性质量，另因蜂窝材料具有良好的避震效果，取代了传统喷管壳体与隔热层间需粘接橡胶材料作弹性缓冲层的工艺要求，规避了橡胶粘接工艺过程中可能出现的夹气、缺胶、错缝风险，进一步改善喷管壳体与隔热层之间层间结合工艺的稳定性，从而制得轻质高强度的一体化成型复合材料喷管。
为实现上述目的，本发明提供了一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，包括内隔热层和复合材料壳体，所述内隔热层和复合材料壳体之间设有蜂窝夹层。
进一步地，所述内隔热层为高硅氧纤维/酚醛树脂预浸料缠绕成型制得。
进一步地，所述内隔热层固化成型后，对内隔热层外形尺寸进行一次加工；
进一步地，所述蜂窝夹层为芳纶纸蜂窝。
进一步地，所述蜂窝夹层密度为0.064-0.128g/cm3，单元尺寸为1.83-5.5mm，厚度为2-5mm。
进一步地，所述复合材料壳体为碳纤维/环氧树脂预浸料，其在蜂窝夹层一侧铺放成型；
本发明还提供上述轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法，所述喷管从内到外包括喉衬、内烧蚀层、内隔热层、蜂窝夹层、复合材料壳体、外隔热层、外烧蚀层；其特征在于，
将喉衬、内烧蚀层、内隔热层依次铺放缠绕成型，进行第一次热压固化成型，并对内隔热层外形尺寸进行加工；
在蜂窝夹层一侧铺放复合材料壳体，进行第二次热压固化成型；
在复合材料壳体一侧依次将外隔热层、外烧蚀层缠绕成型，进行第三次热压固化成型；对外烧蚀层尺寸进行一次加工。
进一步地，所述蜂窝夹层两侧均覆有阻燃环氧热熔胶膜，蜂窝夹层通过阻燃环氧热熔胶膜与内隔热层一侧定位粘接。
进一步地，所述第一次热压固化成型，升温速率0.1-0.2℃/min，固化压力3MPa，固化温度为150-160℃，固化时间3-4小时；
所述第二次热压固化成型，固化压力2-2.5MPa，固化温度130-150℃，固化1.5-3小时；
所述第三次热压固化成型，固化压力3-3.5MPa，升温速率0.1-0.2℃/min，固化最高温度为150-160℃，固化时间4-5小时。
进一步地，所述蜂窝夹层以杜邦公司诺美(Nomex)纸为原材料,通过浸渍酚醛树脂及耐高温的聚酰亚胺树脂形成六边形蜂窝结构预制体，其相较于铝制蜂窝有更好的变形适应能力，有利于随复合材料喷管热压工艺一体成型，且其能提供更好的抗冲击抗疲劳和耐腐蚀性能。
优选地，所述喷管喉径为5-500mm，喷管出口外径50-2000mm。
优选地，所述内烧蚀层、外烧蚀层通过布带平叠缠绕或者以与水平线呈5°-20°的缠绕角斜缠形成。
优选地，所述内隔热层、外隔热层通过布带平叠缠绕形成。
所述喉衬为碳纤维编织整体成型制备成预制件后经化学气相沉积工艺而成的碳碳复合材料；优选地，所述喉衬密度为1.70g/cm3至1.90g/cm3，喉径为10-500mm。
优选地，所述复合材料喷管壳体加工有法兰连接孔。
相比于现有技术，本发明提出的一种轻质高刚度的全复合材料喷管，具有如下有益效果：
(1)因Nomex蜂窝具有突出的比刚度(约为钢的9倍)，密度仅为同体积隔热层密度的4％，且其耐热性和结构稳定性优于环氧树脂，因此在保证刚度和隔热厚度的基础上可以对喷管隔热层进行减薄，使惰性质量得到了进一步减少，最高可对隔热层减重25％。
(2)蜂窝夹层结构是由蜂窝壁与蒙皮粘接而成，因蜂窝壁表面存在的孔隙，使其在热压共固化成型的工艺状态下，蒙皮与蜂窝壁间能更好的形成胶瘤，从而形成更好的层压板结构。相比于其他用于隔热层—壳体界面间过渡的弹性层材料，如改性丁腈橡胶，蜂窝夹层不会出现夹气、弱粘等成型缺陷，能提高复材喷管成型的良品率。
(3)芳纶纸蜂窝自身具有优秀的韧性及抗疲劳性，且耐湿热，耐腐蚀，因此适用于一体成型复合材料喷管，使其寿命及工作稳定性得到明显加强。
附图说明
图1为内烧蚀层缠绕示意图；
图2为内隔热层缠绕示意图；
图3为蜂窝夹层粘接示意图；
图4为复合材料喷管壳体铺放示意图；
图5为外隔热层缠绕示意图；
图6为外烧蚀层缠绕示意图。
符号说明：1-缠绕芯模，2-喉衬，3-内烧蚀层，4-内隔热层，5-蜂窝夹层，6-复合材料壳体，7-外隔热层，8-外烧蚀层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。法兰的位置、角度等相关条件可以根据需要相应调整，不能理解为图示角度等是对本发明的限制。
本发明提供的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，包括喉衬、内烧蚀层、内隔热层、蜂窝夹层、复合材料喷管壳体、外隔热层、外烧蚀层。内隔热层和复合材料壳体之间设有蜂窝夹层。
如图1、图2所示，喉衬安装于缠绕芯模上，模具的外型面与喷管的烧蚀面相匹配，喉衬作为起始面层，于其一侧缠绕完成内烧蚀层，再于内烧蚀层表面缠绕完成内隔热层，在所有缠绕工作完成后整体进行第一次热压固化成型并机加外形面尺寸(加工出用于放置蜂窝夹层的凹槽)；如图3、图4所示，对已完成的主体表面铺敷一层蜂窝夹层，其与内隔热层表面机加工形成的凹槽相嵌合定位；蜂窝夹层两侧均预先覆有阻燃环氧热熔胶膜，通过环氧树脂热熔胶膜将蜂窝夹层与内隔热层粘接，阻燃环氧胶膜与喷管壳体环氧固化体系相适应。之后于蜂窝夹层一侧铺放复合材料壳体，并在铺放完成后进行第二次热压固化并机加外形面尺寸；如图5、6所示，于已完成主体表面继续缠绕完成外隔热层、外烧蚀层，经第三次热压固化并机加外形得到最终产品。
其中，内隔热层为高硅氧纤维/酚醛树脂预浸料缠绕成型制得。
蜂窝夹层为芳纶纸蜂窝，具体以杜邦公司Nomex纸(间位芳纶1313)为原材料，浸渍酚醛树脂及耐高温的聚酰亚胺树脂等材料形成，其密度为0.064-0.128g/cm3，单元尺寸1.83-5.5mm，厚2-5mm。本实施例中蜂窝夹层密度为0.064g/cm3，单元尺寸为1.83mm，厚2mm。
其中，复合材料壳体为碳纤维/环氧树脂预浸料，其在蜂窝夹层一侧通过T700SC预浸料铺放成型。
本发明还提供上述的轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法。
将内烧蚀层、内隔热层在喉衬的一侧依次缠绕成型，进行第一次热压固化成型；
喉衬为碳纤维编织整体成型制备成预制件后经化学气相沉积工艺而成的碳碳复合材料，本实施例中喉衬采用碳纤维双股正交三向结构，再进行炭增密复合而成。喉衬密度为1.70g/cm3至1.90g/cm3，喉径为10-500mm，本实施例中，喉衬密度为1.80g/cm3，喉径为80mm；喷管出口外径50-2000mm，本实施例中，喷管出口外径为500mm。
内烧蚀层在喉衬外侧通过碳纤维布带预浸料斜缠成型，碳纤维布带预浸料使用的树脂基体为钡酚醛树脂；如图1所示，内烧蚀层缠绕方向为从喉衬一侧开始向右斜向缠绕成型。内烧蚀层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5°-20°的缠绕角斜叠缠绕形成，本实施例中烧蚀层为20°缠绕角斜叠缠绕。
内隔热层在内烧蚀层外侧通过高硅氧布带预浸料斜缠成型，高硅氧布预浸料使用的树脂基体为钡酚醛树脂；如图2所示，隔热层缠绕方向为从左向右逐渐缠绕。隔热层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5°-20°的缠绕角斜叠缠绕形成，本实施例中内隔热层为平叠缠绕。
上述步骤完成后，进行第一次热压固化，升温速率0.1-0.2℃/min，固化压力3MPa，固化最高温度为150-160℃，固化时间3-4小时。固化完成后加工隔热层外型尺寸到位。本实施例中，第一次热压固化升温速率0.1℃/min，固化压力3MPa，固化最高温度为150℃，固化时间4小时。
蜂窝夹层裁切加工后通过胶膜直接粘接到位，如图3所示，蜂窝夹层与内隔热层相嵌合；蜂窝夹层密度为0.064-0.128g/cm3，单元尺寸1.83-2.75mm，厚2-3mm；本实施例中蜂窝夹层密度为0.064g/cm3，单元尺寸为1.83mm，厚2mm。
复合材料喷管壳体在蜂窝夹层外侧通过碳纤维预浸料手工铺放成型，如图4所示，所用碳纤维预浸料使用的树脂基体为T700SC。复合材料壳体以层合板结构[0°/-45°/90°/90°/+45°/0°]的铺放方式成型。通过以一定的铺放角成型，影响各向的力学分布，铺放角度为与喷管中心轴线方向的夹角，铺放角度小则轴向强度高，铺放角度大则径向强度高。
进行第二次热压固化成型，蜂窝夹层与复合材料喷管壳体形成夹芯结构，固化压力2-2.5MPa，固化最高温度130-150℃，固化1.5-3小时；本实施例中，第二次热压固化成型固化压力2MPa，固化最高温度140℃，固化2小时，固化完成后加工壳体法兰孔。
外隔热层在烧蚀层外侧通过高硅氧布带预浸料斜缠成型，高硅氧布预浸料使用的树脂基体为低压成型钡酚醛树脂；如图5所示，外隔热层缠绕方向为从左向右逐渐缠绕。外隔热层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5°-20°的缠绕角斜叠缠绕形成，本实施例中内隔热层为平叠缠绕。
外烧蚀层碳纤维布带预浸料使用的树脂基体为钡酚醛树脂；如图6所示，烧蚀层缠绕方向为从芯模一侧开始向右斜向缠绕成型。外烧蚀层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5°-20°的缠绕角斜叠缠绕形成，本实施例中烧蚀层为20°缠绕角斜叠缠绕。
上述步骤完成后进行第三次热压固化，升温速率0.1-0.2℃/min，固化压力3-3.5MPa，固化最高温度为150-160℃，固化时间4-5小时。本实施例中，第三次热压固化升温速率0.2℃/min，固化压力3MPa，固化最高温度为160℃，固化时间4小时。
固化完成后加工喷管外型尺寸到位，至此完成整个喷管。

Claims (10)

1.一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，包括内隔热层和复合材料壳体，其特征在于，所述内隔热层和复合材料壳体之间设有蜂窝夹层。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，其特征在于，所述内隔热层为高硅氧纤维/酚醛树脂预浸料缠绕成型制得。
3.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，其特征在于，所述内隔热层固化成型后，对内隔热层外形尺寸进行加工，同时加工出用于放置蜂窝夹层的凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，其特征在于，所述蜂窝夹层为芳纶纸蜂窝。
5.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，其特征在于，所述蜂窝夹层密度为0.064-0.128g/cm3，单元尺寸为1.83-5.5mm，厚度为2-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管，其特征在于，所述复合材料壳体为碳纤维/环氧树脂预浸料铺放成型，所述碳纤维/环氧树脂预浸料铺放在蜂窝夹层一侧。
7.根据权利要求1所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法，所述喷管从内到外包括喉衬、内烧蚀层、内隔热层、蜂窝夹层、复合材料壳体、外隔热层、外烧蚀层；其特征在于，
将内烧蚀层、内隔热层在喉衬的一侧依次缠绕成型，进行第一次热压固化成型；
在内隔热层的一侧粘接蜂窝夹层，在蜂窝夹层一侧铺放复合材料壳体，进行第二次热压固化成型；
在复合材料壳体一侧依次将外隔热层、外烧蚀层缠绕成型，进行第三次热压固化成型。
8.根据权利要求7所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法，其特征在于，所述蜂窝夹层两侧均覆有阻燃环氧热熔胶膜，蜂窝夹层通过阻燃环氧热熔胶膜与内隔热层一侧粘接。
9.根据权利要求7所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法，其特征在于，所述第一次热压固化成型，固化压力3-3.5MPa，固化最高温度为150-160℃，固化时间3-4小时；
所述第二次热压固化成型，固化压力2-2.5MPa，固化最高温度130-150℃，固化1.5-3小时；
所述第三次热压固化成型，固化压力3-3.5MPa，固化最高温度为150-160℃，固化时间4-5小时。
10.根据权利要求7所述的一种轻质高刚度的一体化成型复合材料喷管的制备方法，其特征在于，所述蜂窝夹层以杜邦公司诺美纸为原材料,通过浸渍酚醛树脂及耐高温的聚酰亚胺树脂形成六边形蜂窝结构预制体。
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