王鍇 薛豐 馬群 黃香凝 楊科 王華斌 陳祺 李冰

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，標(biāo)準(zhǔn)化，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體

0 引言

玻璃鋼GFRP用玻璃纖維的工業(yè)化生產(chǎn)最初是在1938年，由美國(guó)OCF公司開始的。20世紀(jì)60年代開始開發(fā)高模量、高強(qiáng)度纖維，硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料BFRP和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料CFR P由于質(zhì)量輕、剛度高、強(qiáng)度高而成為候選材料。我國(guó)復(fù)合材料工業(yè)始于1958年成立玻璃鋼7人研究小組，開始研究玻璃鋼工藝與產(chǎn)品，并在后續(xù)開展了纏繞成型高壓容器等研究工作[1]。近年，隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用金屬材料逐漸被纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所取代，并形成了一系列符合我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展需求的設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料殼體

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組成的多相材料。復(fù)合材料具有優(yōu)于其各組分材料的綜合性能，通常稱復(fù)合材料中的連續(xù)相為“基體材料”，不連續(xù)相為“增強(qiáng)材料”。用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的復(fù)合材料多是纖維增強(qiáng)的塑料基復(fù)合材料。與各向同性的單一金屬材料相比，復(fù)合材料有以下主要優(yōu)點(diǎn)。

（1）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

復(fù)合材料殼體可設(shè)計(jì)性明顯增強(qiáng)。金屬殼體的材料、結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸確定后，其承載能力基本確定。而復(fù)合材料殼體的材料、結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸確定后，還可以通過(guò)對(duì)纖維復(fù)合材料鋪層方式的設(shè)計(jì)、補(bǔ)強(qiáng)方式的設(shè)計(jì)、纏繞張力的設(shè)計(jì)、基體樹脂含量的設(shè)計(jì)等，使殼體的承載能力發(fā)生變化。

（2）比強(qiáng)度和比剛度高

材料的強(qiáng)度與密度之比為該材料的“比強(qiáng)度”，材料的彈性模量與密度之比為該材料的“比剛度”。對(duì)一定的材料，比強(qiáng)度和比剛度都是材料常數(shù)。對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體來(lái)講，材料的比強(qiáng)度和比剛度是重要的性能指標(biāo)。

（3）結(jié)構(gòu)可靠性高

一般金屬材料，尤其是高強(qiáng)度金屬材料對(duì)裂紋缺陷敏感，與此相反，由于復(fù)合材料的多相性，裂紋缺陷不容易擴(kuò)展，所以對(duì)缺陷的敏感性較低。當(dāng)有少量纖維斷裂時(shí)，其載荷會(huì)迅速重新分配在未破壞的纖維上，使結(jié)構(gòu)仍有承載能力，不會(huì)導(dǎo)致突然性的破壞。

（4）成型工藝好

復(fù)合材料制造工藝簡(jiǎn)單，適合整體成型。能用模具制造的構(gòu)件，可采用一次成型，從而減少了零部件的粘接界面及組焊、裝配等，同時(shí)也節(jié)省了原材料和工時(shí)，縮短了加工周期。

（5）減震性能好

結(jié)構(gòu)的自振頻率與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)，也與材料的比剛度有關(guān)，自振頻率與材料的比剛度的平方根成正比。結(jié)構(gòu)的自振頻率較高時(shí)，可以避免工作狀態(tài)下的共振而引起的早期破壞。同時(shí)，纖維與基體界面具有吸振能力，具有較高的振動(dòng)阻尼。

目前，固體彈道導(dǎo)彈對(duì)殼體的基本要求如下：殼體必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)內(nèi)壓載荷和外載荷的作用；結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)盡量輕，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比；結(jié)構(gòu)合理，做到連接可靠，且在滿足總體要求的前提下，縮短軸向尺寸；工藝性好。綜上所述，用纖維復(fù)合材料作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的材料具有許多優(yōu)越性。這也是其應(yīng)用日益廣泛的原因，并且已逐漸成為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的主體材料。

2 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相關(guān)的原材料性能規(guī)定，復(fù)合后的力學(xué)性能等，國(guó)外形成了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，ASTM D30.04單層和層壓板試驗(yàn)方法，制定復(fù)合材料拉伸、彎曲、壓縮、剪切、疲勞、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和試驗(yàn)板制備等20項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；ASTM D30.05結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法，制定層合板開孔/充填孔力學(xué)性能，復(fù)合材料損傷阻抗、剩余強(qiáng)度、抗穿透性和多向?qū)雍闲问降慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能等15項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；ASTM D30.06層間性能，制定復(fù)合材料Ⅰ型、Ⅱ型和混合型層間斷裂韌性、層間強(qiáng)度和分層疲勞性能等6項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

同樣，美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)公開發(fā)布的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)包含：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)[3]，除與上述ASTM標(biāo)準(zhǔn)類似的標(biāo)準(zhǔn)外，也建立了一系列復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法用于對(duì)其制品的性能進(jìn)行評(píng)估，其主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定發(fā)展很快，由全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口管理的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有130余項(xiàng)，涵蓋了材料的物理性能、力學(xué)性能、化學(xué)性能、疲勞老化性能等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[4]。同時(shí)，也形成了一些固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料增強(qiáng)殼體的產(chǎn)品類、工藝以及檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)，部分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

依據(jù)檢索到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用增強(qiáng)復(fù)合材料相關(guān)的原材料標(biāo)準(zhǔn)和試樣標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)形成了較為完善的性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系。

在復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體相關(guān)設(shè)計(jì)方面，由于復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法、理論的多樣性和保密性，如：網(wǎng)格理論、最大應(yīng)力理論、最大應(yīng)變理論、Hill-蔡強(qiáng)度理論、蔡-吳理論、各類有限元分析方法，很難形成有效、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法；現(xiàn)有復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)規(guī)范生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到了很大作用，但標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比較零散，缺乏頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃。同時(shí)，在復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體無(wú)損檢測(cè)，干濕態(tài)、高低溫、化學(xué)介質(zhì)腐蝕等極端環(huán)境下的物理性能、疲勞性能，性能考核評(píng)估等方向的研究不足，數(shù)據(jù)積累不夠，無(wú)法為新型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制以及新材料的研制和使用提供有效的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)支撐。

3 標(biāo)準(zhǔn)化工作建議

3.1 國(guó)產(chǎn)材料

目前，世界上碳纖維生產(chǎn)技術(shù)主要被赫克塞爾（Hexcel）、東麗（Toray）、東邦（Toho）等美日企業(yè)壟斷，其中以日本東麗碳纖維性能最好、產(chǎn)量最大，在世界碳纖維行業(yè)獨(dú)占鰲頭。我國(guó)的碳纖維一直依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響我國(guó)的國(guó)家安全領(lǐng)域，也嚴(yán)重制約了高新技術(shù)的發(fā)展。隨著我國(guó)科技水平的不斷提升，碳纖維行業(yè)得到了國(guó)家的大力支持，通過(guò)不斷的發(fā)展，我國(guó)許多企業(yè)如：中復(fù)神鷹、中科院山西煤化所、吉林石化等，已經(jīng)具備了一定的碳纖維生產(chǎn)能力，對(duì)于國(guó)家具有重要戰(zhàn)略意義。

隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用，其替代國(guó)外相應(yīng)材料的過(guò)程，不僅是質(zhì)量性能的對(duì)比，也是諸多材料標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生和對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)更新迭代的過(guò)程。因此在新材料基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也要加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的手段既保證了碳纖維研究的規(guī)范化、統(tǒng)一化，也保證了國(guó)產(chǎn)材料性能基礎(chǔ)研究的充分性。同時(shí)，通過(guò)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，歸納出材料之間的差異，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維性能進(jìn)行全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)衡量，為我國(guó)碳纖維的發(fā)展提供參考依據(jù)，對(duì)解決航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域的材料發(fā)展瓶頸具有重要的意義。

3.2 高性能全復(fù)合材料殼體

“輕質(zhì)”是高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要標(biāo)志，全復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是近年的研究方向之一，而裙和接頭作為殼體的重要連接件，其復(fù)合材料化就成為了全復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料裙已經(jīng)逐漸代替了金屬連接裙，并從早期的單一玻璃纖維復(fù)合裙發(fā)展到高性能混雜和全碳復(fù)合裙，同時(shí)基于復(fù)合裙的應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)也形成了關(guān)于復(fù)合裙制備的樹脂傳遞模塑、鋪放、真空注塑等工藝方式。但復(fù)合裙相關(guān)研制成果尚未延伸形成標(biāo)準(zhǔn)，制備方法類的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作相對(duì)滯后，建議總結(jié)已有的技術(shù)成果及時(shí)形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在后續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究的同時(shí)同步開展標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料殼體的接頭仍采用金屬材料，其安全系數(shù)普遍偏高，消極重量大，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)高效的發(fā)展方向。國(guó)外在很早就開展了復(fù)合材料接頭的研究，美、法兩國(guó)聯(lián)合研制的SED/CSD發(fā)動(dòng)機(jī)，采用復(fù)合材料制作的殼體和接頭，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)并取得了成功。我國(guó)近年也開展了復(fù)合材料接頭的相關(guān)研制，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料新工藝方法不斷出現(xiàn)，例如：陶瓷基復(fù)合材料、三維編制復(fù)合材料等均為復(fù)合材料接頭的研制提供了可能，并取得了一些技術(shù)成果，但仍處于技術(shù)研究階段，未形成有效的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，為保障發(fā)動(dòng)機(jī)殼體使用的復(fù)合材料先進(jìn)性和可靠性，亟待建立相應(yīng)的考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步規(guī)范復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用，完善補(bǔ)充固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、工藝、材料、試驗(yàn)測(cè)試等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的缺項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的全覆蓋。同時(shí)，建立起有效的標(biāo)準(zhǔn)化體系，依靠持續(xù)改進(jìn)的PDCA循環(huán)等標(biāo)準(zhǔn)化管理方法，保障新材料、新工藝方法的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化研究工作的同步進(jìn)行，及時(shí)將技術(shù)成果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的形式進(jìn)行固化，有效地對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)復(fù)合材料殼體形成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)支撐。