熊文琪 孫正 張同表 王堯堯 郭子桐

摘要：擴(kuò)張段作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零部件，需要具備優(yōu)異的抗燒蝕沖刷和綜合力學(xué)性能。本文設(shè)計(jì)整體式擴(kuò)張段幾何尺寸，基于針刺縫合工藝制備一體化擴(kuò)張段預(yù)制體，采用真空輔助灌注RTM工藝和高壓RTM工藝注入酚醛樹(shù)脂浸潤(rùn)預(yù)制體，階梯升溫固化得到整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段，為低成本、高效率批量制備整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)張段；酚醛樹(shù)脂；RTM；復(fù)合材料；制造技術(shù)

噴管作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重要構(gòu)件，是一種將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的裝置［1］。其主要由背襯、喉襯和擴(kuò)張段組成，其中擴(kuò)張段將通過(guò)喉襯的高溫高壓高速燃?xì)馀蛎洸⒓铀?，?shí)現(xiàn)火箭更大的推力和能量轉(zhuǎn)換效率，這要求擴(kuò)張段具備優(yōu)異的抗燒蝕、抗隔熱、抗沖刷和綜合力學(xué)性能［2–7］。

目前擴(kuò)張段常用的耐燒蝕防熱材料有兩類(lèi)，一類(lèi)是碳/碳（C/C）復(fù)合材料，另一類(lèi)是酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料。相比碳/碳復(fù)合材料，酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料屬于一次性的熱防護(hù)材料，在高溫高壓燃?xì)鉀_刷下，酚醛樹(shù)脂基體發(fā)生熱解、氣化、碳化等物理化學(xué)變化，酚醛樹(shù)脂熱裂解形成的碳化層具有隔熱的功能。酚醛樹(shù)脂具有隔熱效果優(yōu)秀、導(dǎo)熱率低、抗燒蝕性能良好和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，目前在航空航天和國(guó)防軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［8］。歐洲某重型運(yùn)載火箭的噴管大部分均勻采用碳布酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料；法國(guó)某火箭的一級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)P80擴(kuò)張段采用的是碳/酚醛針刺復(fù)合材料［9］；美國(guó)某火箭喉襯背壁、民兵導(dǎo)彈的二級(jí)噴管擴(kuò)散段由高硅氧/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料制成［10］。

傳統(tǒng)的擴(kuò)張段一般采用預(yù)浸布帶纏繞成型工藝制備碳/酚醛樹(shù)脂基和高硅氧/酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料，該制備工藝技術(shù)成熟，但預(yù)制體是二維層間結(jié)構(gòu)，厚度方向上的強(qiáng)度主要靠樹(shù)脂間的黏結(jié)力，因此層間剪切強(qiáng)度和斷裂韌性較低［11］。為解決傳統(tǒng)擴(kuò)張段制備二維結(jié)構(gòu)預(yù)制體低效率、層間性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)纏繞/針刺、三維編織和纏繞/縫合等擴(kuò)張段三維結(jié)構(gòu)預(yù)制體的制備技術(shù)［12］，提高了擴(kuò)張段的抗燒蝕沖刷性能和綜合力學(xué)性能的提高。針刺工藝技術(shù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較高、成本低，相比傳統(tǒng)二維預(yù)制體，層間結(jié)構(gòu)得到提高。但其第三維度方向上的纖維含量較少，且纖維貫穿針刺單元層數(shù)受針刺深度限制，導(dǎo)致針刺預(yù)制體厚度方向上的層間力學(xué)性能較低。縫合工藝制備的預(yù)制體，未縫合區(qū)域和縫合區(qū)域不能實(shí)現(xiàn)有效連接，材料整體層間性能不均勻［13］。本文采取針刺縫合工藝制備整體式擴(kuò)張段預(yù)制體，利用真空輔助RTM工藝注射酚醛樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段的制備，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)制體制備、RTM成型復(fù)合材料方面對(duì)整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段的設(shè)計(jì)和制備進(jìn)行介紹。

1整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段由擴(kuò)張段預(yù)制體進(jìn)行固化得到，因此擴(kuò)張段預(yù)制體的結(jié)構(gòu)形狀直接影響整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)擴(kuò)張段將背襯（高硅氧/酚醛）、擴(kuò)張段（碳/酚醛）和噴管殼體（不銹鋼）分開(kāi)制造后裝配為一體的工藝［14］，需要考慮配合精度，對(duì)各零件成形精度要求較高，且存在結(jié)構(gòu)間隙易產(chǎn)生熱防護(hù)結(jié)構(gòu)失效、應(yīng)力過(guò)大材料產(chǎn)生破壞等故障現(xiàn)象。

本文采用不同材料分區(qū)制造預(yù)制體，并采用縫合工藝進(jìn)行各區(qū)域間的連接，最終將預(yù)制體固化得到整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段，從而降低裝配難度，提高噴管整體性，減少因結(jié)構(gòu)間隙而產(chǎn)生的故障發(fā)生概率。整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段的幾何模型見(jiàn)圖1。

2預(yù)制體的制備

2.1原材料

預(yù)制體采用分區(qū)制備，由高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域組成。高硅氧區(qū)域由厚0.5mm，面密度為290±10g/m2的高硅氧纖維布和85Tex短纖維，面密度為65±5g/m2的高硅氧纖維針刺氈疊層針刺的單元層組成。碳纖維區(qū)域由面密度為200g/m2的3K碳纖維平紋布和面密度80g/m2碳纖維網(wǎng)胎疊層針刺的單元層組成?？p合線(xiàn)采用T3003K，線(xiàn)密度200tex，拉伸強(qiáng)度4200MPa的碳纖維線(xiàn)。

2.2成形工藝

高硅氧單元層由一層高硅氧纖維布和一層高硅氧纖維針刺氈組成。碳纖維單元層由一層碳布和一層網(wǎng)胎組成。單元層鋪層方向均平行于擴(kuò)張段軸線(xiàn)。若單元層鋪層方向平行于擴(kuò)張段內(nèi)側(cè)錐面，在高溫高壓燃?xì)鉀_刷下，內(nèi)表面抗燒蝕性能降低。每層單元層均針刺一遍，針刺密度20～30針/cm2，針刺深度為10～15mm。每10層單元層進(jìn)行一次縫合，縫合密度為30mm×30mm。

選取和擴(kuò)張段預(yù)制體內(nèi)部尺寸匹配的木質(zhì)芯模，放置在針刺設(shè)備上。剪裁每層合適尺寸的基布和網(wǎng)胎，疊層鋪放在芯模上，從碳纖維區(qū)域近軸線(xiàn)端開(kāi)始，與擴(kuò)張段預(yù)制體軸線(xiàn)平行方向鋪放單元層并針刺。當(dāng)預(yù)制體厚度達(dá)到與高硅氧區(qū)域底部齊平時(shí)，交替鋪層高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域，保持兩區(qū)域頂端齊平。在兩區(qū)域連接處利用縫合工藝加強(qiáng)兩區(qū)域間的連接強(qiáng)度。當(dāng)碳纖維區(qū)域距離預(yù)制體幾何模型中段頂端的厚度等于擴(kuò)張段預(yù)制體尾段平行錐面段的厚度時(shí)，裁剪可以同時(shí)鋪放擴(kuò)張段預(yù)制體與軸線(xiàn)平行的中段和平行錐面的尾端的布?jí)K，中段單元層與預(yù)制體軸線(xiàn)平行，尾端單元層與錐面平行，交替鋪放高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域。當(dāng)高硅氧區(qū)域達(dá)到指定厚度后，繼續(xù)鋪放剩余碳纖維區(qū)域，直到預(yù)制體尾端平行錐面段達(dá)到指定厚度。繼續(xù)鋪放單元層直至碳纖維區(qū)域中的法蘭部分制作完成。將預(yù)制體從木質(zhì)芯模上取下得到最終的針刺縫合一體化擴(kuò)張段預(yù)制體。擴(kuò)張段預(yù)制體制備工藝流程圖見(jiàn)圖2。

3復(fù)合材料擴(kuò)張段的制備

3.1工藝選取

復(fù)合材料的成型工藝種類(lèi)眾多，其中樹(shù)脂基復(fù)合材料常用成型工藝有手糊成型、模壓成型、噴射成型、注射成型、RTM成型等［15］。其中樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）成型工藝是一種低成本的復(fù)合材料液體封閉成型技術(shù)，基本原理是：在一定溫度和壓力下將混合的樹(shù)脂體系注入密閉模腔內(nèi)，浸潤(rùn)纖維或織物等增強(qiáng)材料，再放置在一定溫度下進(jìn)行固化成型，脫模后得到復(fù)合材料制件。RTM工藝可降低復(fù)合材料成型時(shí)間和加工成本，可成型復(fù)雜大面積的構(gòu)件，成型復(fù)合材料表面質(zhì)量好且精度較高，全過(guò)程可降低對(duì)身體和環(huán)境的傷害，安全且環(huán)保，適用于大規(guī)模生產(chǎn)［16］。但傳統(tǒng)的RTM工藝存在高黏度樹(shù)脂流動(dòng)性差、樹(shù)脂浸潤(rùn)增強(qiáng)材料不充分的缺陷，因此本文采用真空輔助灌注RTM和高壓RTM注射先后進(jìn)行，在真空輔助條件下樹(shù)脂由模腔內(nèi)的負(fù)壓被注入，在注入流速過(guò)低時(shí)啟動(dòng)RTM注射機(jī)，恒速注入樹(shù)脂。該工藝有利于樹(shù)脂充分浸潤(rùn)預(yù)制體，并避免高速流動(dòng)樹(shù)脂帶動(dòng)或沖散纖維，使復(fù)合材料制品的力學(xué)性能大大降低。

3.2模具設(shè)計(jì)及制造

為提高復(fù)合材料制件的成形質(zhì)量和成形精度，采用金屬作為模具材料進(jìn)行模具的加工制造。模具內(nèi)部封閉型腔尺寸與擴(kuò)張段預(yù)制體幾何尺寸相同，考慮預(yù)制體放入模具后的模具合模及RTM注射固化成型制件的脫模，在擴(kuò)張段內(nèi)表面圓柱面段和錐面段分界面位置分上下芯模，并將兩個(gè)側(cè)模分為上下兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)注膠流道、出膠流道和排氣通道，便于抽真空和RTM注膠，由于酚醛樹(shù)脂在升溫固化過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量縮合水、甲醛和氣體小分子等，因此將排氣通道設(shè)置在左下模上，用于將縮合水等反應(yīng)產(chǎn)物排出，從而降低孔隙率提高復(fù)合材料制品力學(xué)性能。各模體件均采用螺栓進(jìn)行連接，在合模面采用密封墊和密封條密封以提高模具密封性，保證模具抽真空后可穩(wěn)定保持負(fù)壓狀態(tài)，并避免注膠時(shí)有樹(shù)脂溢出。在左右下模合模面處，配備螺紋孔以擰緊螺栓頂開(kāi)模具，保證制件成型后順利脫模。RTM模具主體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

3.3工藝控制

模具設(shè)計(jì)并制造完成后，首先需要檢查模具氣密性。將模具排氣口關(guān)閉，出膠口連接真空泵，進(jìn)膠口連接真空表。開(kāi)啟真空泵使模腔內(nèi)負(fù)壓，觀察真空表，待真空表示數(shù)接近-0.1MPa并保持一段時(shí)間不變化后，封閉管路保壓一段時(shí)間，若期間真空表示數(shù)不變，表示模具密封良好。

整體式擴(kuò)張段復(fù)合材料的RTM成型流程圖見(jiàn)圖4。將模具內(nèi)外表面清理干凈，無(wú)任何附著物。均勻涂抹三次脫模劑，待脫模劑干燥成膜后再涂第二層。將預(yù)制體放入模具內(nèi)，合膜后緊固螺栓。放入烘箱內(nèi)在注射溫度下加熱一定時(shí)間，保證模具內(nèi)外溫度、預(yù)制體溫度和注射溫度一致。將酚醛樹(shù)脂加熱至注射溫度后，攪拌并抽真空，使樹(shù)脂受熱反應(yīng)產(chǎn)生的縮合水、氣體小分子等排出。將注膠口連接RTM注射機(jī)，出膠口連接真空泵，排氣口連接大氣。關(guān)閉注膠通道和排氣通道，開(kāi)啟出膠通道和真空泵，將模具型腔內(nèi)空氣排出，維持真空度不變。酚醛樹(shù)脂灌注預(yù)制體的步驟如下：

（1）打開(kāi)注膠通道，在模腔負(fù)壓作用下樹(shù)脂快速流動(dòng)至模腔，當(dāng)樹(shù)脂流速過(guò)慢時(shí)，打開(kāi)RTM注射機(jī)齒輪泵，恒低速注入樹(shù)脂，注意注膠壓力控制在2MPa以?xún)?nèi)。根據(jù)注膠壓力的變化，調(diào)節(jié)注膠流速。

（2）當(dāng)出膠口連接的樹(shù)脂收集器內(nèi)出現(xiàn)樹(shù)脂，將出膠口開(kāi)閉一段時(shí)間，排出模腔內(nèi)氣泡。關(guān)閉RTM注射機(jī)和真空泵，封閉注膠通道和出膠通道，開(kāi)始升溫固化。

（3）升溫固化采用階梯升溫固化，在低溫階段保溫一段時(shí)間后，短暫開(kāi)閉排氣通道；然后升溫至中溫階段保溫一段時(shí)間后，短暫開(kāi)閉排氣通道；再升溫到高溫階段，保溫固化，間隔一段時(shí)間短暫開(kāi)閉排氣通道。最后，自然冷卻至室溫，脫模。

在升溫固化過(guò)程中，由于金屬模具壁厚較大，溫度傳遞至模具內(nèi)部時(shí)間較長(zhǎng)，階梯升溫過(guò)程中保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，保證模具內(nèi)外溫度和產(chǎn)品溫度的一致性。

在完成上述工序后，將得到的復(fù)合材料制品加工打磨。并對(duì)模具進(jìn)行處理，保證下次使用時(shí)模具完好。完成上述所有工序后，得到整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段。經(jīng)稱(chēng)重，整體式復(fù)合材料擴(kuò)張段的纖維體積分?jǐn)?shù)為48%。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段，基于針刺縫合工藝，鋪層分區(qū)制造高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域，得到一體化擴(kuò)張段預(yù)制體，設(shè)計(jì)適用的金屬模具，先后采用真空輔助灌注RTM成型和高壓RTM成型工藝將酚醛樹(shù)脂注入模具型腔，充分浸潤(rùn)擴(kuò)張段預(yù)制體，階梯升溫控制固化參數(shù)得到整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段。通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步形成可行、經(jīng)濟(jì)、安全環(huán)保的整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段制造工藝，確定了低成本、高效率、可批量生產(chǎn)、高性能的整體式酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料擴(kuò)張段制備流程。

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作者簡(jiǎn)介：熊文琪（2001—），男，漢族，江西九江人，碩士研究生在讀，研究方向：機(jī)械電子。

*通訊作者：孫正。