CN113427793B - 高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法 - Google Patents

高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法，属于复合材料技术领域，根据想要成型的进气道的壁面厚度，将壁面划分为多层仿形布层；根据进气道的型面依次进行单层厚度的向外偏移，得到每层仿形布层的轮廓形状，利用连续纤维按照每层的轮廓形状分别编织每层仿形布；将多层仿形布依次铺覆在进气道阳模上，铺覆时相邻两层之间用连续纤维束缝合连接；将阴模与阳模合模后，从模具注胶口注入树脂，利用树脂传递模塑工艺进行固化成型；冷却后脱模，进行热处理，得到高强度耐高温复合材料进气道。本发明实现了采用复合材料成型高强度耐高温进气道，解决了进气道选材及成型工艺受限的问题。

Description

高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法。
背景技术
进气道根据飞行器速度及使用条件分为亚声速进气道和超声速进气道。亚声速飞行器由于飞行速度一般位于0.7～0.8马赫，来流及力热条件不苛刻，允许进气道使用材料时选用玻璃钢这类低耐温、低强度复合材料。随着飞行速度提高，来流及力热条件变得苛刻，尤其是跨声速及超声速进气道需要实现耐高温、高强度的技术要求，因此跨声速及超声速进气道的选材只能局限于钛合金这类耐高温高强度金属材料，导致弹体结构轻量化及成本控制目标难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐高温复合材料进气道及其成型方法，本发明实现了采用复合材料成型高强度耐高温进气道，解决了进气道选材及成型工艺受限的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是：
一种高强度耐高温复合材料进气道的成型方法，包括以下步骤：
根据想要成型的进气道的壁面厚度，将壁面划分为多层仿形布层；
根据进气道的型面依次进行单层厚度的向外偏移，得到每层仿形布层的轮廓形状，利用连续纤维按照每层的轮廓形状分别编织每层仿形布；
将多层仿形布依次铺覆在进气道阳模上，铺覆时相邻两层之间用连续纤维束缝合连接；上述织布用的连续纤维和该连续纤维束都采用石英纤维、芳纶纤维或碳纤维；
将阴模与阳模合模后，从模具注胶口注入树脂，利用树脂传递模塑工艺(RTM成型)进行固化成型；
冷却后脱模，进行热处理，得到高强度耐高温复合材料进气道。
进一步地，所述进气道呈S型管筒结构。
进一步地，仿形布层数大于3层，这是因为层数少时整体织物刚度大，不易贴模。
进一步地，对编织成的每层仿形布进行编号，以防止混淆。
进一步地，多层仿形布层为等厚或不等厚，如果总厚度与层数能整除，则各层等厚，否则允许不等厚。
进一步地，通过2D或2.5D编织法来编织仿形布，该2D编织法为单层经线与单层纬线相互交织，适用于单层厚度薄的布层；该2.5D编织法为单层经线与双层纬线相互交织，适用于单层厚度厚的布层。
进一步地，利用反应釜将树脂注入到模具注胶口中。
进一步地，利用烘箱进行固化。
进一步地，树脂为氰酸酯树脂、酚醛树脂或聚芳基乙炔树脂。
进一步地，热处理采用高温固化，高温固化是逐步升到树脂使用的最高温度，保温产品使用的最长时间。
一种高强度耐高温复合材料进气道，该进气道采用上述的方法制备得到。
本发明中复合材料密度为1.4g/cm3，相较钛合金4.5g/cm3，相同产品能够实现减重2/3。应用上述技术方案，采用复合材料制作进气道相比超声速金属进气道不但可以减重1/3～1/2，而且通过高性能纤维及树脂的配套使用，提高了复合材料进气道的耐温性能。通过纤维的仿形编织，实现了成型过程中的去手工化，保证了纤维的铺覆质量及均匀性。通过连续纤维束的层间缝合，提高了复合材料进气道的力学性能。本发明的成型方法实现了采用复合材料成型高强度耐高温进气道，成型自动化程度高、具有良好的工艺稳定性，所得产品结构强度及耐温性大大提升，满足跨声速或超声速飞行器对进气道的技术要求，拓宽了复合材料进气道在飞行器上的使用范围，具有良好的示范效应和推广价值。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为仿形织物布层典型结构示意图；
图中：1、2、3、4-布层，5-进气道内型。
图2为根据本发明实施例的高强度耐高温复合材料进气道的成型方法流程图。
图3为2D编织法的纤维走向示意图。
图4为2.5D编织法的纤维走向示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节，本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
实施例1
本实施例制作如图1所示的一种高强度耐高温复合材料进气道，出口端直径为300mm，进口端呈椭圆长圆处为150mm、短圆处为80mm。进气道壁厚4mm。其中复合材料为石英纤维/氰酸酯树脂。
该进气道的成型过程如图2所示，具体步骤如下：
第一步：依据产品总体厚度d总及操作经验，设计布层数量为4，计算得到d单＝1mm。采用三维模型的型面偏移d单的距离得到每层布层的轮廓形状。设计采用如图3所示的2D编织法编织，由内型面至外型面布层依序记为布层1、2、3、4；
第二步：准备仿形织物一套，模具表面刷涂脱模剂；
第三步：依照顺序将布层1套于模具表面，再套布层2，调整布层位置正确后，用连续石英纤维沿整个型面进行层间缝合。套布层3、缝合布层3与2，套布层4、缝合布层4与3；
第四步：合模，将室温停放下的氰酸酯树脂放入反应釜内，50℃加热融化搅拌0.5h，0.8MPa～1.5MPa压力下注入模具。烘箱中120℃/2h+180℃/2h固化；
第五步：脱模；
第六步：将产品放入烘箱中180℃/4h+250℃/5min热处理；
第七步：冷却后得到高强度耐高温复合材料进气道。
将本实施例得到进气道取样试片，对其进行室温下性能测试，具体性能见表1。
具体性能测试方法：拉伸强度、拉伸模量采用GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》；冲压式剪切强度采用GB/T 1450.2-2005《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》；耐温性能采用耐热性能试验测试。
实施例2
本实施例制作一种高强度耐高温复合材料进气道，出口端直径为300mm，进口端呈椭圆长圆处为150mm、短圆处为80mm。进气道壁厚4mm。其中复合材料为石英纤维/聚芳基乙炔树脂。
该进气道的成型步骤如下：
第一步：依据产品总体厚度d总及操作经验，设计布层数量为4，计算得到d单＝1mm。采用三维模型的型面偏移d单的距离得到每层布层的轮廓形状。设计采用如图4所示的2.5D编织法编织，由内型面至外型面布层依序记为布层1、2、3、4；
第二步：准备仿形织物一套，模具表面刷涂脱模剂；
第三步：依照顺序将布层1套于模具表面，再套布层2，调整布层位置正确后，用连续石英纤维沿整个型面进行层间缝合。套布层3、缝合布层3与2，套布层4、缝合布层4与3；
第四步：合模，将室温停放下的聚芳基乙炔树脂放入反应釜内，65℃加热融化搅拌0.5h，0.8MPa～1.5MPa压力下注入模具。烘箱中120℃/10h+250℃/4h固化；
第五步：脱模；
第六步：将产品放入烘箱中250℃/2h+400℃/5min热处理；
第七步：冷却后得到高强度耐高温复合材料进气道。
将本实施例得到进气道取样试片，对其进行室温下性能测试，具体性能见表1。
对比例1
本对比例制作一个玻璃钢复合材料进气道，出口端直径为300mm，进口端呈椭圆长圆处为150mm、短圆处为80mm。进气道壁厚4mm。其中复合材料为玻璃纤维/环氧树脂。
该进气道制作过程如下：
第一步：准备0.17mm后玻璃纤维布、环氧树脂，模具表面刷涂脱模剂；
第二步：铺层，将0.17mm厚的玻璃布逐层浸润环氧树脂后环绕进气道模具型面上20层；
第三步：将室温停放8h后的进气道送入烘箱中80℃/4h固化。
第四步：脱模。
第五步：冷却后得到玻璃钢复合材料进气道。
将本对比例得到进气道取样试片，对其进行室温下性能测试，具体性能见表1。
表1性能测试数据对比
Figure BDA0003080686690000041
由表1中可以看出，氰酸酯树脂的实施例1，拉伸强度最高达到420MPa，耐温性能较玻璃钢进气道提升至250℃；聚芳基乙炔树脂的实施例2，拉伸强度与玻璃钢进气道相当，但耐温性最高达到400℃。同时，与密度为4.5g/cm3的钛合金进气道相比，可以实现减重2/3。本发明提供的技术方案可以按照使用时强度和温度要求选择。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物，本发明请求的保护范围以权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种高强度耐高温复合材料进气道的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据想要成型的进气道的壁面厚度，将壁面划分为多层仿形布层，该进气道为S型管筒结构；
根据进气道的型面依次进行单层厚度的向外偏移，得到每层仿形布层的轮廓形状，利用连续纤维按照每层的轮廓形状分别编织每层仿形布；
将多层仿形布依次铺覆在进气道阳模上，铺覆时相邻两层之间用连续纤维束缝合连接；上述编织每层仿形布用的连续纤维和该连续纤维束都采用石英纤维、芳纶纤维或碳纤维；
将阴模与阳模合模后，从模具注胶口注入树脂，利用树脂传递模塑工艺进行固化成型；
冷却后脱模，进行热处理，得到高强度耐高温复合材料进气道。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，仿形布层数大于3层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多层仿形布层为等厚或不等厚，如果总厚度与层数能整除，则各层等厚，否则不等厚。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过2D或2.5D编织法来编织仿形布，该2D编织法为单层经线与单层纬线相互交织，该2.5D编织法为单层经线与双层纬线相互交织。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用反应釜将树脂注入到模具注胶口中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用烘箱进行固化。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，树脂采用氰酸酯树脂、酚醛树脂或聚芳基乙炔树脂。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理采用高温固化，该高温是指树脂使用的最高温度。
9.一种高强度耐高温复合材料进气道，其特征在于，该进气道采用权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。
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