一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法
【專利摘要】一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，步驟為：(1)大尺寸框架式筒蓋狀陽模制備；(2)采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，運用極坐標(biāo)與相位補(bǔ)缺相結(jié)合的鋪層方式，整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁的內(nèi)蒙皮，固化制得整體內(nèi)蒙皮；(3)采用膠膜在內(nèi)蒙皮外側(cè)膠接拼貼PMI泡沫層；(4)采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，運用極坐標(biāo)與相位補(bǔ)缺相結(jié)合的鋪層方式，整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁的外蒙皮；(5)采用熱壓罐工藝整體共固化，完成后脫去陽模，最終制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。采用本發(fā)明方法制備的保護(hù)蓋承載性好、減重效果顯著，同時也解決了纖維布鋪層方案纖維褶皺、連續(xù)性差、承載性差的問題。
【專利說明】
一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料為主的火箭用輕質(zhì)保護(hù)蓋的整體成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]運載火箭的尾部、各級間部段均包含有眾多易損部件，組裝發(fā)射前容易在運輸、吊裝、貯存等過程中因意外碰撞而導(dǎo)致?lián)p傷破壞，進(jìn)而導(dǎo)致部件報廢或返廠維護(hù)，嚴(yán)重影響型號的發(fā)射進(jìn)度。因此，火箭尾部和各級間部段常采用保護(hù)蓋來保護(hù)內(nèi)部的重要部件。
[0003]傳統(tǒng)的火箭保護(hù)蓋采用金屬材料制備，重量較大，運輸和吊裝困難。特別是隨著新一代運載火箭尺寸的顯著增加，采用傳統(tǒng)金屬保護(hù)蓋將嚴(yán)重超重，難以進(jìn)行運輸和吊裝等。因此，研制運載火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋已迫在眉睫。
[0004]近年來，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)由于輕質(zhì)、承載性好、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)勢得到了快速的發(fā)展。復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料面板和泡沫芯材膠接而成，具有較高的結(jié)構(gòu)剛度和較小的結(jié)構(gòu)重量，比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)更易于成型復(fù)雜件，被廣泛應(yīng)用于對剛度要求高的飛行器尾翼、尾梁、機(jī)身等部件和艦船殼體等。
[0005]運載火箭的保護(hù)蓋，頂部呈圓蓋狀，側(cè)壁為圓筒狀。若采用復(fù)合材料蜂窩夾層制備保護(hù)蓋，存在制造工藝復(fù)雜、圓蓋段和圓筒段連接的過度區(qū)成型困難的問題，且復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)尺寸較大時剪切性能不足。此外，由于運載火箭保護(hù)蓋要求較高的承載性，傳統(tǒng)的碳纖維布鋪層工藝制備該保護(hù)蓋，尤其是鋪層其過渡區(qū)時容易出現(xiàn)鋪層褶皺、纖維不能完全連續(xù)的現(xiàn)象，導(dǎo)致其不滿足高承載性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于保護(hù)火箭外露易損部件的大尺寸輕質(zhì)復(fù)合材料保護(hù)蓋整體成型方法，采用本發(fā)明方法制備的產(chǎn)品承載性好、減重效果顯著，解決了傳統(tǒng)金屬方案質(zhì)量太重、成型難、運轉(zhuǎn)困難的問題，同時也解決了傳統(tǒng)纖維布鋪層方案纖維褶皺、連續(xù)性差、承載性差的問題，特別適用于大尺寸筒蓋狀復(fù)合材料構(gòu)件的制備。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，包括如下步驟:
[0008](I)采用鋼板加工筒蓋狀陽模外型面，其中圓蓋狀部分作為保護(hù)蓋頂部，圓筒狀部分作為保護(hù)蓋側(cè)壁，圓蓋狀部分和圓筒狀部分的連接區(qū)作為過渡區(qū)域，然后采用鋼質(zhì)型材焊接成框架式支架，再將筒蓋狀陽模外型面焊接到框架式支架上，制得框架式陽模模具；
[0009](2)采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，在框架式陽模模具上先按照平面極坐標(biāo)的方式整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，然后將缺料部分劃分為不同象限，各個象限內(nèi)再按平面直角坐標(biāo)的方式鋪層缺料部分;所述的平面極坐標(biāo)的方式為在鋪層時首先建立極坐標(biāo)系，先確定角度，然后在該角度方向上從極坐標(biāo)系的原點開始由內(nèi)向外的延伸鋪層，并通過不斷的改變角度完成整體平面的鋪層;所述的平面直角坐標(biāo)的方式為在鋪層時首先建立平面直角坐標(biāo)系，定位缺料位置的直角坐標(biāo)，并在定位直角坐標(biāo)處單獨進(jìn)行鋪層；
[0010](3)重復(fù)步驟(2)執(zhí)行8?15次，重復(fù)過程中保證每一次的極坐標(biāo)方式的角度起始位置要互相錯位;執(zhí)行完成后經(jīng)熱壓罐工藝在80?180°C和0.4?0.7Pa壓力下固化I?3h，制得整體內(nèi)蒙皮；
[0011](4)按照保護(hù)蓋頂部、側(cè)壁和過渡區(qū)的尺寸和形狀，通過機(jī)加或熱定型方法分別加工成片狀、弧形、雙曲率狀的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫;然后先在內(nèi)蒙皮外側(cè)沿著整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁上全部粘貼膠膜，再在膠膜外沿著整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁分別粘貼聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層；
[0012](5)將聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層作為剛性支撐，再次按照步驟(2)和步驟(3)的方式，在聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層的表面上制得整體外蒙皮；
[0013](6)采用熱壓罐工藝在80?180°C和0.1?0.4Pa壓力下固化I?3h，完成后脫去筒蓋狀陽模，制得火箭用保護(hù)蓋。
[0014]所述的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫的密度范圍為70?200kg/m3。所述碳纖維為T300級碳纖維、T700級碳纖維、T800級碳纖維和T1000級碳纖維中的一種或其組合。所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、雙酚S型環(huán)氧樹脂中的一種或其組合。所述膠膜為環(huán)氧樹脂膠膜、聚氨酯樹脂膠膜和氰酸脂樹脂膠膜中的一種或其組合。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0016](I)本發(fā)明方法采用鋼板機(jī)加成筒蓋狀外型面，采用鋼質(zhì)型材焊接支架，再將外型面焊接到支架上，制成框架式陽模模具，可以使超大尺寸保護(hù)蓋固化溫度場的溫度差小于5°C；
[0017](2)本發(fā)明方法采用單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料成型復(fù)合材料蒙皮，并與PMI泡沫芯整體成型夾層結(jié)構(gòu)大尺寸保護(hù)蓋，比傳統(tǒng)金屬方案減重30%以上，解決了傳統(tǒng)金屬方案質(zhì)量太重、成型困難、運載困難的問題；
[0018](3)本發(fā)明方法采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部圓蓋段和側(cè)壁圓筒段，比傳統(tǒng)碳纖維布鋪層方案承載性能提高15%以上；
[0019](4)本發(fā)明方法采用先按極坐標(biāo)方法鋪層，缺料部分再按相位補(bǔ)缺方法鋪層的方案，解決了大尺寸筒蓋狀復(fù)材產(chǎn)品鋪層褶皺和纖維不能完全連續(xù)的難題。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，主要步驟如下:
[0022](I)大尺寸框架式模具制造
[0023]采用鋼板機(jī)加成筒蓋狀陽模外型面(其尺寸應(yīng)當(dāng)與實際火箭用的保護(hù)蓋尺寸相當(dāng)，其中圓蓋狀部分為保護(hù)蓋頂部，圓筒狀部分為側(cè)壁，圓蓋部段和圓筒部段的連接區(qū)為過渡區(qū)域)，然后采用鋼質(zhì)型材焊接成框架式支架，再將筒蓋狀陽模外型面焊接到框架式支架上，即制得框架式陽模模具。
[0024](2)整體制備頂部和側(cè)壁的內(nèi)蒙皮
[0025]采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，在框架式陽模模具上先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4?8個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。至此完成了一次鋪層，實際使用過程中，大概需要鋪8?15層。當(dāng)然，為了保證效果，各層起始位置之間要互相錯位，例如半個象限，可以解決傳統(tǒng)纖維布鋪層方案鋪層褶皺、承載性差的問題。
[0026]這里的極坐標(biāo)是指極坐標(biāo)系，也即在鋪層時建立極坐標(biāo)系，先確定角度，然后在該角度方向上從極坐標(biāo)系的原點開始由內(nèi)向外的延伸鋪層，并通過不斷的改變角度完成整體鋪層。
[0027]直角坐標(biāo)方式也即定點的方式，同樣在極坐標(biāo)系的原點作為直角坐標(biāo)系的原點，在缺料部分按照直角坐標(biāo)進(jìn)行定位，然后再進(jìn)行補(bǔ)料。
[0028]然后經(jīng)熱壓罐工藝在80?180°C和0.4?0.7Pa壓力下固化I?3h，制得整體內(nèi)蒙皮。
[0029]所述單向碳纖維為T300級單向碳纖維、T700級單向碳纖維、T800級單向碳纖維和T1000級單向碳纖維中的一種或其組合。
[0030]所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、雙酚S型環(huán)氧樹脂中的一種或其組合。
[0031](3)泡沫層成型
[0032]按照保護(hù)蓋頂部、側(cè)壁和過渡區(qū)尺寸和形狀要求，通過機(jī)加或熱定型方法分別加工成片狀、弧形并且為雙曲率狀的PMI(聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫。
[0033]所述PMI泡沫的密度范圍為70?200kg/m3。
[0034]先在內(nèi)蒙皮外側(cè)沿著其整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁上全部粘貼膠膜，再在膠膜外沿著其整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁上全部粘貼PMI泡沫層。
[0035]所述膠膜為環(huán)氧樹脂膠膜、聚氨酯樹脂膠膜和氰酸脂樹脂膠膜中的一種或其組入口 ο
[0036](4)整體連續(xù)鋪層頂部和側(cè)壁的外蒙皮
[0037]將PMI泡沫層作為剛性支撐，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4?8個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。
[0038](5)整體共固化成型
[0039]采用熱壓罐工藝在80?180°C和0.1?0.4Pa壓力下共固化I?3h，完成后進(jìn)行脫模，即可制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。
[0040]實施例1
[0041](I)采用鋼板和鋼質(zhì)型材成型大尺寸框架式陽模。(2)采用連續(xù)的單向T300級碳纖纖維/雙酚A環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，共鋪10層。經(jīng)熱壓罐工藝150°C在0.6Pa壓力下固化2h，制得整體內(nèi)蒙皮。(3)采用環(huán)氧樹脂膠膜在內(nèi)蒙皮外側(cè)膠接拼裝密度為110kg/m3的PMI泡沫層。(4)將泡沫層作為剛性支撐，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。(5)采用熱壓罐工藝150°C在0.3Pa壓力下整體共固化2h，即制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。該方案比傳統(tǒng)金屬方案減重40%，比傳統(tǒng)碳纖維布鋪層方案承載性能提尚20%。
[0042]實施例2
[0043](I)采用鋼板和鋼質(zhì)型材成型大尺寸框架式陽模。(2)采用連續(xù)的單向T800級碳纖纖維/雙酚F環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為8個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，共鋪8層。經(jīng)熱壓罐工藝175°C在0.6Pa壓力下固化1.5h，制得整體內(nèi)蒙皮。(3)采用聚氨酯樹脂膠膜在內(nèi)蒙皮外側(cè)膠接拼裝密度為90kg/m3的PMI泡沫層。(4)將泡沫層作為剛性支撐，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為8個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。(5)采用熱壓罐工藝175°C在0.2Pa壓力下整體共固化1.5h，即制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。該方案比傳統(tǒng)金屬方案減重45%，比傳統(tǒng)碳纖維布鋪層方案承載性能提尚16%。
[0044]實施例3
[0045](I)采用鋼板和鋼質(zhì)型材成型大尺寸框架式陽模。(2)采用連續(xù)的單向T700級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為6個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，共鋪12層。經(jīng)熱壓罐工藝120°C在0.5Pa壓力下固化3h，制得整體內(nèi)蒙皮。(3)采用氰酸脂樹脂膠膜在內(nèi)蒙皮外側(cè)膠接拼裝密度為80kg/m3PMI泡沫層。(4)將泡沫層作為剛性支撐，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為6個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。(5)采用熱壓罐工藝120°C在0.3Pa壓力下整體共固化3h，即制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。該方案比傳統(tǒng)金屬方案減重32%，比傳統(tǒng)碳纖維布鋪層方案承載性能提高19%。
[0046]實施例4
[0047](I)采用鋼板和鋼質(zhì)型材成型大尺寸框架式陽模。(2)采用連續(xù)的單向T1000級碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，共鋪10層。經(jīng)熱壓罐工藝130°C在0.6Pa壓力下固化2.5h，制得整體內(nèi)蒙皮。(3)采用環(huán)氧樹脂膠膜在內(nèi)蒙皮外側(cè)膠接拼裝密度為75kg/m3的PMI泡沫層。(4)將泡沫層作為剛性支撐，先按照平面極坐標(biāo)整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。缺料部分再劃分為4個象限，各個象限內(nèi)再按直角坐標(biāo)，鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁。(5)采用熱壓罐工藝130°C在0.2Pa壓力下整體共固化2.5h，即制得火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋。該方案比傳統(tǒng)金屬方案減重38%，比傳統(tǒng)碳纖維布鋪層方案承載性能提尚 18 % ο
[0048]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，其特征在于包括如下步驟: (1)采用鋼板加工筒蓋狀陽模外型面，其中圓蓋狀部分作為保護(hù)蓋頂部，圓筒狀部分作為保護(hù)蓋側(cè)壁，圓蓋狀部分和圓筒狀部分的連接區(qū)作為過渡區(qū)域，然后采用鋼質(zhì)型材焊接成框架式支架，再將筒蓋狀陽模外型面焊接到框架式支架上，制得框架式陽模模具； (2)采用連續(xù)的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，在框架式陽模模具上先按照平面極坐標(biāo)的方式整體連續(xù)鋪層保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁，然后將缺料部分劃分為不同象限，各個象限內(nèi)再按平面直角坐標(biāo)的方式鋪層缺料部分;所述的平面極坐標(biāo)的方式為在鋪層時首先建立極坐標(biāo)系，先確定角度，然后在該角度方向上從極坐標(biāo)系的原點開始由內(nèi)向外的延伸鋪層，并通過不斷的改變角度完成整體平面的鋪層;所述的平面直角坐標(biāo)的方式為在鋪層時首先建立平面直角坐標(biāo)系，定位缺料位置的直角坐標(biāo)，并在定位直角坐標(biāo)處單獨進(jìn)行鋪層； (3)重復(fù)步驟(2)執(zhí)行8?15次，重復(fù)過程中保證每一次的極坐標(biāo)方式的角度起始位置要互相錯位;執(zhí)行完成后經(jīng)熱壓罐工藝在80?180 °C和0.4?0.7Pa壓力下固化I?3h，制得整體內(nèi)蒙皮； (4)按照保護(hù)蓋頂部、側(cè)壁和過渡區(qū)的尺寸和形狀，通過機(jī)加或熱定型方法分別加工成片狀、弧形、雙曲率狀的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫;然后先在內(nèi)蒙皮外側(cè)沿著整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁上全部粘貼膠膜，再在膠膜外沿著整個外型面，在保護(hù)蓋頂部和側(cè)壁分別粘貼聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層； (5)將聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層作為剛性支撐，再次按照步驟(2)和步驟(3)的方式，在聚甲基丙烯酰亞胺泡沫層的表面上制得整體外蒙皮； (6)采用熱壓罐工藝在80?180°C和0.1?0.4Pa壓力下固化I?3h，完成后脫去筒蓋狀陽模，制得火箭用保護(hù)蓋。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，其特征在于:所述的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫的密度范圍為70?200kg/m3。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，其特征在于:所述碳纖維為7300級碳纖維、1700級碳纖維、1800級碳纖維和1'1000級碳纖維中的一種或其組合。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，其特征在于:所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、雙酚S型環(huán)氧樹脂中的一種或其組合。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種火箭用大尺寸輕質(zhì)保護(hù)蓋整體成型方法，其特征在于:所述膠膜為環(huán)氧樹脂膠膜、聚氨酯樹脂膠膜和氰酸脂樹脂膠膜中的一種或其組合。
【文檔編號】B29C70/34GK105856585SQ201610206648
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】史漢橋, 劉千, 孫寶崗, 楊智勇, 張毅
【申請人】航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院