本發(fā)明涉及一種燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件及其成型方法，屬于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)及成型。

背景技術(shù)：

1、隨著飛行器飛行速度與航程的不斷提升，飛行器對(duì)輕量化以及耐溫/防熱指標(biāo)要求越來越高，目前已有的金屬+防熱結(jié)構(gòu)方案由于生產(chǎn)周期長、工藝流程繁瑣等問題，已經(jīng)無法滿足新型飛行器的發(fā)展。復(fù)合材料殼體由于比剛度和比強(qiáng)度高，生產(chǎn)周期短、承載-燒蝕結(jié)構(gòu)匹配性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域越來越受到廣泛關(guān)注。

2、目前常見的純復(fù)合材料燒蝕-承載構(gòu)件，其承載結(jié)構(gòu)與燒蝕結(jié)構(gòu)多采用分步成型或者獨(dú)立成型后裝配方案，兩種結(jié)構(gòu)之間依靠膠膜或膠黏劑連接。該方案雖然成熟度高，但對(duì)模具等需求也較高，且不論分步成型還是獨(dú)立成型所需要周期、設(shè)備以及人工成本均較高，已越來越無法滿足高速飛行器研制對(duì)于成本、周期等方面的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種燒蝕-承載一體化殼體結(jié)構(gòu)及其成型方法，該方法通過一套模具就可以實(shí)現(xiàn)殼體類構(gòu)件其燒蝕結(jié)構(gòu)與承載結(jié)構(gòu)的一次、整體成型，大幅節(jié)約成本與周期，燒蝕與承載結(jié)構(gòu)的界面可靠性也可以有效保障。

2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件，包括承載層、匹配層與燒蝕層的三層結(jié)構(gòu)，承載層位于最內(nèi)層，燒蝕層位于最外層，匹配層介于承載層與燒蝕層中間，該三層結(jié)構(gòu)采用固化溫度接近的樹脂體系，該固化溫度接近是指固化溫度相差不超過一溫度閾值；其中，承載層為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，燒蝕層為纖維增強(qiáng)樹脂基燒蝕復(fù)合材料，匹配層為線漲系數(shù)介于承載層與燒蝕層之間的線漲匹配層。

4、進(jìn)一步地，承載層采用的樹脂為中溫或高溫環(huán)氧樹脂，或雙馬樹脂。

5、進(jìn)一步地，燒蝕層采用的增強(qiáng)體為石英纖維、高硅氧纖維或玻璃纖維構(gòu)成的平紋織物，或者石英纖維、高硅氧纖維或玻璃纖維與芳綸類纖維或酚醛纖維的混編織物，采用的樹脂體系為酚醛樹脂或苯并噁嗪樹脂。

6、進(jìn)一步地，固化溫度接近是指固化溫度相差不超過20℃。

7、進(jìn)一步地，承載層采用的碳纖維增強(qiáng)高溫環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)為2*10-6，燒蝕層采用的石英纖維增強(qiáng)酚醛樹脂的線膨脹系數(shù)為10-12*10-6，匹配層的線膨脹系數(shù)為5-8*10-6。

8、進(jìn)一步地，匹配層選用燒蝕層或承載層的樹脂體系，并選用燒蝕層和承載層使用的增強(qiáng)纖維的混編織物作為增強(qiáng)體。比如，承載層為碳纖維增強(qiáng)高溫環(huán)氧體系，其線膨脹系數(shù)為2*10-6，燒蝕層為石英纖維增強(qiáng)酚醛樹脂體系，其線膨脹系數(shù)為10-12*10-6，則匹配層選用石英纖維與碳纖維交替編織的混編織物增強(qiáng)酚醛樹脂材料，其線膨脹系數(shù)一般在5-8*10-6范圍內(nèi)，可以滿足線漲匹配的需求。

9、進(jìn)一步地，匹配層選用燒蝕層或承載層的樹脂體系，并選用燒蝕層和承載層未使用的增強(qiáng)織物，該增強(qiáng)織物為平面編織織物或立體編制織物。比如，承載層為碳纖維增強(qiáng)高溫環(huán)氧體系，燒蝕層為石英纖維增強(qiáng)酚醛樹脂體系，則匹配層可選用芳綸織物，部分規(guī)格的芳綸織物增強(qiáng)酚醛樹脂材料的線膨脹系數(shù)在5-8*10-6范圍內(nèi)，同樣可以滿足線漲匹配的需求。部分立體編制織物通過設(shè)計(jì)編織結(jié)構(gòu)以及密度，可以達(dá)到同樣的效果。

10、一種燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件的成型方法，包括以下步驟：

11、1)承載層筋條鋪層：將承載層材料鋪層到陽模的筋條區(qū)內(nèi)并熨平，預(yù)先設(shè)置好筋條的鋪層角度；

12、2)承載層蒙皮鋪層：將承載層材料在陽模上進(jìn)行逐層的蒙皮鋪層；

13、3)匹配層鋪層：將匹配層材料逐層鋪層到陽模上的承載層外側(cè)；

14、4)燒蝕層鋪層：將燒蝕層材料逐層鋪層到陽模上的匹配層外側(cè)；

15、5)合模：將陰模與上述陽模進(jìn)行合模，并進(jìn)行上下蓋板安裝；

16、5)整體固化：將合模后的模具放入烘箱中，采用熱漲成型法、熱壓罐法或模壓法進(jìn)行整體固化，固化制度采用階梯式升溫固化；

17、6)脫模：固化完成后模具自然冷卻，脫模得到燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件。

18、進(jìn)一步地，步驟1)中筋條如果是縱筋，則鋪層角度為0°(即殼體高度方向)；如果是環(huán)筋，則鋪層角度為90°(即垂直于殼體高度方向)。

19、進(jìn)一步地，步驟2)中承載層蒙皮鋪層為準(zhǔn)各項(xiàng)同性，即纖維延[45°/0°/-45°/90°]s的次序進(jìn)行鋪層；也可根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行特殊規(guī)格與角度的鋪層。

20、進(jìn)一步地，步驟3)中匹配層厚度不超過殼體總厚度的四分之一，厚度數(shù)值不超過1mm，該殼體總厚度是指不包含筋條的三層結(jié)構(gòu)厚度。

21、進(jìn)一步地，步驟4)中燒蝕層不超過殼體總厚度的三分之二，厚度數(shù)值不超過6mm，該殼體總厚度是指不包含筋條的三層結(jié)構(gòu)厚度。

22、進(jìn)一步地，步驟5)中對(duì)于大厚度(總厚度超過8mm)的復(fù)雜筋肋結(jié)構(gòu)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)殼體，采用熱脹成型法進(jìn)行固化；對(duì)于中低厚度(總厚度低于8mm)的簡(jiǎn)單筋肋結(jié)構(gòu)，采用熱壓罐法進(jìn)行固化；對(duì)于單面開敞大厚度(總厚度超過8mm)的殼體結(jié)構(gòu)，采用模壓法進(jìn)行固化。

23、進(jìn)一步地，步驟5)中熱漲成型法、熱壓罐法或模壓法的固化制度根據(jù)燒蝕層或承載層的樹脂體系中較高的固化溫度進(jìn)行設(shè)置；固化壓力不低于0.6mpa。

24、本發(fā)明取得的有益效果：

25、1.成型周期與成本的顯著降低：本發(fā)明通過采用一次固化成型技術(shù)，避免了傳統(tǒng)方法中承載層和燒蝕層分別鋪覆和固化所需的兩次固化過程，極大地縮短了制造周期并降低了人工成本。

26、2.界面可靠性增強(qiáng)：本發(fā)明在燒蝕層與承載層之間增設(shè)了匹配層，該匹配層的設(shè)計(jì)使得材料的線膨脹系數(shù)自外向內(nèi)逐漸降低，從而有效解決了常規(guī)結(jié)構(gòu)中因線膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的界面可靠性問題。

27、3.材料體系優(yōu)化：本發(fā)明的承載層、匹配層和燒蝕層均采用固化溫度接近的樹脂體系，保證了各層間的固化過程協(xié)調(diào)一致，從而進(jìn)一步提高了成品的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性。

28、4.適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型要求：對(duì)于不同厚度和復(fù)雜度的殼體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供了多種成型工藝，如熱漲成型法、熱壓罐法和模壓法，能夠靈活應(yīng)對(duì)不同形狀和厚度的殼體結(jié)構(gòu)。

29、5.提高界面結(jié)合力：本發(fā)明通過設(shè)置不低于0.6mpa的固化壓力，確保燒蝕層、匹配層與承載層之間的界面結(jié)合力強(qiáng)，保證成型質(zhì)量和使用性能。

技術(shù)特征：

1.一種燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件，其特征在于，包括承載層、匹配層與燒蝕層的三層結(jié)構(gòu)，承載層位于最內(nèi)層，燒蝕層位于最外層，匹配層介于承載層與燒蝕層中間，該三層結(jié)構(gòu)采用固化溫度接近的樹脂體系，該固化溫度接近是指固化溫度相差不超過一溫度閾值；其中，承載層為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，燒蝕層為纖維增強(qiáng)樹脂基燒蝕復(fù)合材料，匹配層為線漲系數(shù)介于承載層與燒蝕層之間的線漲匹配層。

2.如權(quán)利要求1所述的燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件，其特征在于，承載層采用的樹脂為中溫或高溫環(huán)氧樹脂，或雙馬樹脂；燒蝕層采用的增強(qiáng)體為石英纖維、高硅氧纖維或玻璃纖維構(gòu)成的平紋織物，或者石英纖維、高硅氧纖維或玻璃纖維與芳綸類纖維或酚醛纖維的混編織物，采用的樹脂體系為酚醛樹脂或苯并噁嗪樹脂；匹配層選用燒蝕層或承載層的樹脂體系，并選用燒蝕層和承載層使用的增強(qiáng)纖維的混編織物作為增強(qiáng)體或者選用燒蝕層和承載層未使用的增強(qiáng)織物，該增強(qiáng)織物為平面編織織物或立體編制織物。

3.如權(quán)利要求1所述的燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件，其特征在于，固化溫度接近是指固化溫度相差不超過20℃。

4.如權(quán)利要求1所述的燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件，其特征在于，承載層采用的碳纖維增強(qiáng)高溫環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)為2*10-6，燒蝕層采用的石英纖維增強(qiáng)酚醛樹脂的線膨脹系數(shù)為10-12*10-6，匹配層的線膨脹系數(shù)為5-8*10-6。

5.一種權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的燒蝕-承載一體化殼體構(gòu)件的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述的成型方法，其特征在于，步驟1)中筋條如果是縱筋，則鋪層角度為殼體高度方向；如果是環(huán)筋，則鋪層角度為垂直于殼體高度方向。

7.如權(quán)利要求5所述的成型方法，其特征在于，步驟2)中承載層蒙皮鋪層為準(zhǔn)各項(xiàng)同性，即纖維延[45°/0°/-45°/90°]s的次序進(jìn)行鋪層。

8.如權(quán)利要求5所述的成型方法，其特征在于，步驟3)中匹配層厚度不超過殼體總厚度的四分之一，厚度數(shù)值不超過1mm；步驟4)中燒蝕層不超過殼體總厚度的三分之二，厚度數(shù)值不超過6mm，所述殼體總厚度是指不包含筋條的三層結(jié)構(gòu)厚度。

9.如權(quán)利要求5所述的成型方法，其特征在于，步驟5)中對(duì)于總厚度超過8mm的筋肋結(jié)構(gòu)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)殼體，采用熱脹成型法進(jìn)行固化；對(duì)于總厚度低于8mm的筋肋結(jié)構(gòu)，采用熱壓罐法進(jìn)行固化；對(duì)于單面開敞的總厚度超過8mm的殼體結(jié)構(gòu)，采用模壓法進(jìn)行固化。

10.如權(quán)利要求5所述的成型方法，其特征在于，步驟5)中熱漲成型法、熱壓罐法或模壓法的固化制度根據(jù)燒蝕層或承載層的樹脂體系中較高的固化溫度進(jìn)行設(shè)置；固化壓力不低于0.6mpa。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種燒蝕?承載一體化殼體構(gòu)件及其成型方法，屬于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)及成型技術(shù)領(lǐng)域。本殼體構(gòu)件包括承載層、匹配層和燒蝕層，承載層位于最內(nèi)層，燒蝕層位于最外層，匹配層介于兩者之間，三層結(jié)構(gòu)采用固化溫度接近的樹脂體系。本成型方法包括承載層鋪層、匹配層鋪層、燒蝕層鋪層及一次固化步驟。本發(fā)明通過匹配層解決了燒蝕層與承載層線膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的界面可靠性問題，采用一次固化工藝降低了成本與周期，顯著提升了結(jié)構(gòu)界面的結(jié)合力和成型質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：許孔力,李麗英,盧邦君,李崢,邢琳釧,王國勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9