趙文斌 王 靜 尹術(shù)幫

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體連接裙是發(fā)動(dòng)機(jī)與級間段連接或與火箭其他艙段部件連接的重要承力結(jié)構(gòu)部件。連接裙在工作時(shí)通常要將巨大的推力由發(fā)動(dòng)機(jī)或某主結(jié)構(gòu)傳遞到另一主結(jié)構(gòu)上，這種大載荷推力的傳遞對連接裙的軸壓載荷、彎矩載荷性能提出了很高的要求。早期的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用鋁合金、鈦合金材質(zhì)的連接裙，由于其密度較大使發(fā)動(dòng)機(jī)整體惰性質(zhì)量增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的發(fā)揮。采用比強(qiáng)度高、比模量高的復(fù)合材料連接裙（簡稱復(fù)合裙）以降低連接裙的質(zhì)量，提高連接裙的軸壓、彎矩載荷性能，是國內(nèi)外提高發(fā)動(dòng)機(jī)乃至火箭整體性能的有效技術(shù)途徑之一［1］。

復(fù)合裙主要有實(shí)體復(fù)合裙與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合裙兩種。實(shí)體復(fù)合裙與金屬裙外形相似，為薄壁圓柱或帶法蘭翻邊薄壁圓柱結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)復(fù)合裙主要采用裙預(yù)制成型的方法，即以傳統(tǒng)的預(yù)浸布帶纏繞或鋪放/熱壓罐固化的成型方法制備復(fù)合裙毛坯，固化成型后再按復(fù)合裙的設(shè)計(jì)藍(lán)圖將毛坯加工成要求尺寸的復(fù)合裙，然后在殼體制造過程把復(fù)合裙裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上。預(yù)浸布/熱壓罐工藝在航空、航天領(lǐng)域許多大型承力結(jié)構(gòu)件上得到廣泛應(yīng)用［2］，西安航天復(fù)合材料研究所采用預(yù)浸布纏繞/熱壓罐工藝制備的薄壁圓柱狀復(fù)合裙在多個(gè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型號中得到應(yīng)用。但預(yù)浸布/熱壓罐工藝制備的構(gòu)件“單面光”，未貼模的一側(cè)型面往往需要機(jī)加來保證產(chǎn)品的尺寸精度，毛坯件后續(xù)精加工對纖維整體性破壞大，不利于纖維強(qiáng)度的發(fā)揮，導(dǎo)致殼體軸壓承載性能降低；而且預(yù)浸布纏繞/熱壓罐工藝難以實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)翻邊薄壁圓柱結(jié)構(gòu)的復(fù)合裙整體成型；毛坯件加工后存放過程中裙尖薄壁部位存在殘余應(yīng)力變形，導(dǎo)致裙裝配時(shí)與殼體徑向配合間隙大小不均。裙與殼體之間配合間隙分布不均導(dǎo)致局部區(qū)域粘接面存在薄弱粘接，從而導(dǎo)致殼體軸壓承載性能波動(dòng)較大，影響復(fù)合裙連接強(qiáng)度和可靠性。

近年來，RTM 制件以優(yōu)異的尺寸公差控制及可確保高表面質(zhì)量凈尺寸成型的優(yōu)勢在航空航天主承力及次承力結(jié)構(gòu)件得到推廣應(yīng)用［3］。歐空局Ariane 5火箭的助推發(fā)動(dòng)機(jī)連接裙采用碳纖維預(yù)成型體的RTM 工藝制造，復(fù)合材料裙直徑3 m。國內(nèi)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用硅橡膠氣囊輔助RTM 成型復(fù)合材料裙厚度7 mm，軸壓承載達(dá)到626 kN［4-6］。西安航天復(fù)合材料研究所采用干基碳布鋪層RTM 工藝制備了某型號復(fù)合裙，實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)翻邊法蘭結(jié)構(gòu)與復(fù)合裙裙身一次整體成型。裙身直筒段為復(fù)合裙的主承力段，實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型。本文針對該復(fù)合裙的RTM 成型工藝特點(diǎn)、樹脂配方的工藝適用性、注射成型參數(shù)控制、注射設(shè)備與模具、復(fù)合裙材料性能等方面進(jìn)行討論分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

1.2 成型設(shè)備與注射模具

設(shè)備采用單組份RTM 注射機(jī)；240 mm×200 mm×15 mm平板模具，復(fù)合裙注射模具。

1.3 測試分析

（1）黏度測試，按GJB1059.2—90，采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試。

（2）力學(xué)性能測試，采用WD-1 型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試，按GB/T1447—2005、GB/T1448—2005、GB/T1449—2005、GB/T1450.1—2005 分別測試復(fù)合材料拉伸、彎曲、壓縮、剪切性能。

（3）密度測試，按GB/T1463—2005，采用梅特勒天平AG204測試。

（4）含膠量測試，按GB/T3855—2005，采用濃硫酸消化法測試。

（5）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，采用NETZSCH DMA 242C型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，以DMA法測定。

（6）孔隙率測試，按GB/T3865—2008，采用日本電子掃描顯微鏡JSM6460LV測試。

1.4 制備RTM構(gòu)件

制備的Ф1 200 mm殼體RTM復(fù)合裙毛坯見圖1。裙身直筒段為復(fù)合裙的主承力段，為凈尺寸成型。

圖1 RTM復(fù)合裙毛坯Fig.1 RTM composite skirt blank

2 結(jié)果與討論

2.1 A環(huán)氧配方

2.1.1 澆鑄體性能

RTM 樹脂選擇的首要依據(jù)是制品性能，其次是該樹脂的工藝性能。樹脂基體在很大程度上決定著RTM 復(fù)合裙的性能，常以樹脂澆鑄體的拉伸強(qiáng)度及模量、彎曲強(qiáng)度及模量、壓縮強(qiáng)度及模量表征材料的抗沖擊和疲勞性能，高載荷持久性能，以玻璃化溫度Tg表征樹脂的耐熱性能。

A配方澆鑄體性能見表1。A配方以4，5-環(huán)氧已烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯（TDE-85）為主要樹脂組分，TDE-85組分提高了樹脂澆鑄體的力學(xué)性能和Tg，這對提高復(fù)合裙的綜合力學(xué)性能和耐熱性能有利。

表1 A配方澆鑄體性能Tab.1 Performances of casting body formula A

2.1.2 A配方工藝特性

樹脂的初始黏度和工藝適用期是選擇RTM 樹脂及其固化體系配方必須考慮的兩個(gè)工藝參數(shù)。對于高纖維體積分?jǐn)?shù)的RTM 構(gòu)件，理想的樹脂黏度范圍為100～300 mPa·s. 樹脂黏度大于500 mPa·s 時(shí)所需注射壓力較大而不易實(shí)施。對于樹脂注射量大于5 kg 的復(fù)合裙構(gòu)件，還需考慮樹脂的工藝適用期，即注射溫度下樹脂的黏度達(dá)到一定程度而不能持續(xù)流過預(yù)成型體所需要的時(shí)間。

測得15～30 ℃條件下，A 配方起始黏度在210～290 mPa·s，3 h后黏度不超過450 mPa·s. 表明此配方適合室溫條件下注射成型。樹脂起始黏度較低主要是配方中采用了低黏度的TDE-85、6360、660 環(huán)氧組分。長達(dá)3 h 的工藝適用期主要是配方采用了固化速率較緩慢的固化劑DDM、MOCA 體系，減緩了室溫下樹脂因凝膠反應(yīng)而黏度增加的速率。

2.2 注射工藝參數(shù)

RTM 注射成型不僅需要根據(jù)樹脂黏度-溫度特性選擇合適的注射溫度，還需根據(jù)樹脂的工藝適用期、預(yù)制體和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)選擇合適的注射壓力、注射流量。由Henry D，Arcy 推導(dǎo)的關(guān)于液體通過多孔介質(zhì)的簡單方程［7］如下：

式中，μ 為樹脂黏度，K為（玻璃纖維、碳纖維等）介質(zhì)的滲透率，Δp為壓力梯度或大氣壓力與空腔內(nèi)部之間的壓力差，v為體積平均流體速度。

從方程（1）可以看出樹脂黏度與樹脂流動(dòng)速度成反比，樹脂黏度越高，樹脂流動(dòng)速度越慢，增強(qiáng)材料浸潤時(shí)間越長；材料的滲透率越大、壓力差越大，樹脂流動(dòng)越快，增強(qiáng)材料浸潤時(shí)間越短。因此，理論上來說，要想優(yōu)化注射過程，需要樹脂黏度低、材料易滲透、壓力差盡可能大。

A配方在15～30 ℃下的黏度滿足注射工藝要求，注射溫度可選室溫。在恒定注射壓力情況下，隨著樹脂流動(dòng)距離的增加，流動(dòng)速率將減慢；在恒定注射流量時(shí)，流體的背壓力隨著樹脂流動(dòng)的橫向距離增加而增加。為保證樹脂在模腔內(nèi)流動(dòng)充模并實(shí)現(xiàn)預(yù)制體纖維束間、纖維束內(nèi)良好浸潤，復(fù)合裙采用恒流注射與恒壓注射兩種模式來關(guān)聯(lián)控制，在限定注射壓力內(nèi)調(diào)節(jié)流動(dòng)速度，在限定流動(dòng)速度內(nèi)調(diào)節(jié)注射壓力，樹脂注射壓力先低后高、樹脂流動(dòng)速度先高后低。

2.3 注射設(shè)備與模具

材料、注射設(shè)備、模具是成功進(jìn)行RTM 制造的三個(gè)重要部分。設(shè)備的功能要求主要根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料的工藝特點(diǎn)確定：A配方為室溫注射，中溫（140～160 ℃）固化的單組分配方，復(fù)合裙構(gòu)件纖維體積分?jǐn)?shù)要求高，應(yīng)選用可實(shí)現(xiàn)恒流注射與恒壓注射關(guān)聯(lián)控制的單組份活塞泵式注射機(jī)，設(shè)備最大注射流量2 L/min，最大注射壓力3 MPa；設(shè)備可對注射壓力、注射流量、注射量進(jìn)行精確控制，還可對樹脂進(jìn)行抽真空除氣泡等預(yù)處理。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合裙裙身凈尺寸成型和制品高尺寸精度，復(fù)合裙采用內(nèi)外鋼模結(jié)構(gòu)。模具注膠口和出膠口的工藝設(shè)計(jì)與定位是保證模腔內(nèi)樹脂均勻流動(dòng)并浸漬干性增強(qiáng)材料的關(guān)鍵，理想的注膠口和出膠口設(shè)計(jì)，可在保證樹脂對增強(qiáng)材料良好浸潤的前提下，獲得最短的充模時(shí)間和最小的充模壓力。對于帶翻邊結(jié)構(gòu)薄壁圓筒復(fù)合裙，環(huán)向均布的多個(gè)注膠口設(shè)計(jì)在帶內(nèi)翻邊一側(cè)，靠近制件軸心；環(huán)向均布的多個(gè)出膠口設(shè)計(jì)在每條流道的最遠(yuǎn)端，即復(fù)合裙裙尖的底端圓周外側(cè)；保證樹脂環(huán)向、徑向、軸向等距離均勻流動(dòng)，充分浸潤干性增強(qiáng)材料。

2.4 材料與制品性能

2.4.1 纖維體積分?jǐn)?shù)

纖維體積分?jǐn)?shù)是決定材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素，碳纖維織物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的名義纖維體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為54%～58%［3］。RTM 工藝中模腔間隙（厚度）決定了制件的纖維體積分?jǐn)?shù)，復(fù)合裙纖維體積分?jǐn)?shù)工藝設(shè)計(jì)可以通過方程（2）計(jì)算。采用硫酸消化法（GB3855—2005）測得復(fù)合裙纖維體積分?jǐn)?shù)為54.5%。纖維體積分?jǐn)?shù)高，對提高復(fù)合裙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有利。

式中，Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，n為鋪層數(shù)，Aw纖維面密度，t為制件厚度，ρf為纖維密度。

2.4.2 材料孔隙率

孔隙是RTM 復(fù)合材料最常見的質(zhì)量缺陷之一，孔隙的存在對復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和層間剪切性能影響十分顯著。顯微鏡法（GB3365—2008）測試材料的孔隙率為1.9%，低于預(yù)浸布鋪層復(fù)合材料的孔隙率3.1%。這主要是復(fù)合裙制備過程采用了樹脂配方真空除泡、注射管路系統(tǒng)密封檢漏、注射過程采用“憋膠”和“放膠”工藝以及抽真空輔助RTM 工藝等措施，有效降低了材料孔隙率。

2.4.3 材料力學(xué)性能

3K 五枚緞紋碳布/A 配方環(huán)氧RTM 復(fù)合材料性能見表2。

表2 碳布/A配方復(fù)合材料性能Tab.2 Properties of carbon cloth reinforced A formula composite material

從表2 可見，3K 緞紋碳布/A 配方復(fù)合材料拉伸、彎曲、壓縮性能優(yōu)異，這對提高復(fù)合材料構(gòu)件的軸壓載荷、彎矩載荷性能有利。

T300 級的3K 五枚緞紋碳布經(jīng)向斷裂強(qiáng)力≥2.2 kN，緯向斷裂強(qiáng)力≥3.5 kN。緯向斷裂強(qiáng)力比經(jīng)向高50%以上，因此，復(fù)合裙軸向以緯向鋪層為主對提高復(fù)合裙的軸向拉伸和壓縮性能有利。沿復(fù)合裙軸向采用4 層緯向（90°）/1 層經(jīng)向（0°）的鋪層設(shè)計(jì)，不僅提高了復(fù)合裙的軸壓性能且可減少復(fù)合裙的翹曲變形。

2.4.4 制品力學(xué)性能

復(fù)合裙構(gòu)件與殼體裝配連接后，對殼體進(jìn)行承純軸壓載荷能力、承純彎矩載荷能力、聯(lián)合載荷（軸壓+彎矩）三種工況考核試驗(yàn)，聯(lián)合載荷（軸壓+彎矩）軸壓達(dá)748 kN，彎 矩94 N·m；純彎矩載荷143.1 N·m ；純軸壓載荷1 062 kN。殼體在三種外載荷作用下主要部位的應(yīng)變、位移極限值滿足殼體總體設(shè)計(jì)使用要求。

3 結(jié)論

以A 配方為樹脂基體，3K 五枚緞紋碳布為增強(qiáng)材料，采用RTM 工藝制備帶內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)復(fù)合裙，實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)復(fù)合裙整體成型，構(gòu)件整體強(qiáng)度高；復(fù)合裙裙身圓柱段可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外徑凈尺寸成型；制品孔隙率低、纖維體積分?jǐn)?shù)高、力學(xué)性能優(yōu)異；與傳統(tǒng)鋁合金、鈦合金材質(zhì)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體連接裙相比，復(fù)合裙具有高比強(qiáng)度、比模量，可以較大幅度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比。