耐高溫纖維纏繞復合材料殼體的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法，包括如下步驟：1)制備芯模，并在芯模中間筒段周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，芯模前段和后段表面則各刷涂一層脫模劑；2)在芯模的前段和后段分別安裝內表面貼有橡膠絕熱層的前后金屬接頭，在芯模中間筒段及前后金屬接頭的外表面包覆橡膠絕熱層；3)將連續(xù)碳纖維浸潤于耐高溫環(huán)氧樹脂膠后，對橡膠絕熱層進行纏繞；4)纏繞結束后，經(jīng)固化、沖洗芯模、去掉聚四氟乙烯薄膜即得成品。本發(fā)明制得的耐高溫纖維纏繞復合材料殼體重量輕、可靠性高、成本低廉，常、高溫(160℃)爆破壓力高的特點，可用于固體國體火箭發(fā)動機、飛行器推進系統(tǒng)用復合材料高壓氣瓶等航空航天上。
【專利說明】耐高溫纖維纏繞復合材料殼體的制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐高溫材料【技術領域】，具體涉及一種耐高溫纖維纏繞復合材料殼體的 制造方法。

【背景技術】
[0002] 纖維增強樹脂基復合材料具有高比強、高比模、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)異特性，在航空航 天、汽車、醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到廣泛應用。
[0003] 隨著航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，對結構器件的重量、耐溫性能要求更加嚴格。輕 質、高強、耐高溫復合材料氣瓶對于減輕發(fā)動機的重量、提高飛行器的性能、降低發(fā)射成本 等具有重要意義。
[0004] 早在20世紀40年代，復合材料殼體在美國軍用飛機上使用，隨后，各國均對其進 行了大量的研究工作，采用碳纖維纏繞環(huán)氧樹脂復合材料殼體，耐熱性能通常在130°C以 下，但由于新型航空航天器件飛行環(huán)境的苛刻，對其使用溫度不斷提高，目前的制造方法較 難滿足輕質、高強、耐高溫的技術要求。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種耐高溫纖維纏繞復合材料殼體的 制造方法，該方法制造的復合材料具有輕質、高強和耐高溫的特點。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的技術方案包括以下步驟：
[0007] 1)石英砂芯模的制備：按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量為100 : (1?2) : 6的 比例配制石英砂混合膠粘劑，固化制備石英砂芯模，機加到與產(chǎn)品相適應的形狀，將機加后 的芯模組裝到芯軸上；
[0008] 2)在芯模中間筒段周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，芯模前段和后段表面則各刷涂 一層脫模劑，以方便芯模與橡膠絕熱層的分離；
[0009] 3)在前后金屬接頭的內表面各貼上3層橡膠絕熱層，然后將其分別安裝在芯模的 前段和后段上，在芯模中間筒段聚四氟乙烯薄膜上面及前后金屬接頭的外表面包覆2層橡 膠絕熱層，橡膠絕熱層間刷涂AE橡膠膠粘劑（即三聚氰胺改性樹脂），增加橡膠層間的表面 粘接力；所述橡膠絕熱層為三元乙丙橡膠絕熱層；
[0010] 4)制備耐高溫環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂：固化劑：促進劑按照重量比I :(0.2? 0.6) :(0.005?0.006)的比例混合制得耐高溫環(huán)氧樹脂膠；所述環(huán)氧樹脂由縮水甘油醚 類環(huán)氧樹脂和縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂組成，所述固化劑為甲基納迪克酸酐，所述促進劑為 2-乙基-4-甲基咪唑；
[0011] 5)將連續(xù)碳纖維按照纏繞機穿紗順序，依次通過出紗口，浸膠輥，在30?40°C下 浸潤在步驟4)制得的耐高溫環(huán)氧樹脂膠中；
[0012] 6)連續(xù)碳纖維纏繞，使用步驟5)浸潤過的連續(xù)碳纖維對步驟3)的橡膠絕熱層進 行纏繞，纏繞時采用縱向纏繞和環(huán)向纏繞相交替的方式進行，交替纏繞2?4次，每次環(huán)向 纏繞和縱向纏繞的次數(shù)為1?2層，纏繞張力控制為12?20N/股；
[0013] 7)在上述纏繞工藝結束后，對復合材料殼體進行固化，以1?2°C /min的升溫速 度，至KKTC保溫2小時，再依次升至120°C保溫3小時，升至150°C保溫4小時，升至180°C 保溫10小時，最后以不大于2°C /min的降溫速度，使得殼體冷卻到室溫即完成固化；
[0014] 8)在上述殼體固化工藝完成后，用高壓水槍對芯模進行沖洗以溶解芯模，取出芯 軸，并清除芯模中間筒段周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內壁清潔干凈，經(jīng)吹干殘留 的水分，即得耐高溫纖維纏繞復合材料殼體。
[0015] 進一步地，所述步驟6)中，環(huán)向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的中間筒段進行，環(huán)向纏 繞面和橡膠絕熱層軸心線夾角即環(huán)向纏繞角度為90度；縱向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的 中間筒段和前后金屬接頭纏繞，縱向纏繞面和橡膠絕熱層軸心線夾角即縱向纏繞角度為 15?45度，縱向纏繞時連續(xù)碳纖維從殼體的前金屬接頭（或后金屬接頭）繞經(jīng)中間筒段至 后金屬接頭（或前金屬接頭），再繞經(jīng)中間筒段回到前金屬接頭（或后金屬接頭），如此反 復進行纏繞完成。
[0016] 進一步地，所述步驟6)中，縱向纏繞角度為32度，纏繞張力為18N/股。
[0017] 進一步地，所述步驟5)中，所述連續(xù)碳纖維為日本東麗T700連續(xù)碳纖維或日本東 麗T800連續(xù)碳纖維。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為：使用本發(fā)明方法制得的耐高溫纖維纏繞復合材料殼體重量 輕、可靠性高、成本低廉，常、高溫（160°c )爆破壓力均大于設計壓力llMPa，可用于固體國 體火箭發(fā)動機、飛行器推進系統(tǒng)用復合材料高壓氣瓶等航空航天上，具有廣泛的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的耐高溫纖維纏繞復合材料殼體成型結構示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0021] 本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：
[0022] 步驟1)按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量為100 : (1?2) : 6的比例配制石英 砂混合膠粘劑，加入到組裝成圓柱狀的圍板，用槌子搗實成型后，置入烘箱中，按照固化制 度進行固化，固化完成后，脫去外圍板，機加成型，即得芯模1，該芯模1的直徑為394_，中 間筒段長度為320_，前段11 (形成前封頭3的芯模段）和后段13 (形成后封頭4的芯模 段）的長度為78_ ;將機加后的芯模1組裝到芯軸2上
[0023] 步驟2)在芯模1的中間筒段12的周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，芯模1的前段 11和后段12表面則各刷涂一層脫模劑，以方便芯模1與橡膠絕熱層的分離；
[0024] 步驟3)在前后金屬接頭的內表面各貼上3層（共3_)橡膠絕熱層，然后將其分 別安裝在芯模1的前段11和后段13上，在芯模1的中間筒段12的聚四氟乙烯薄膜上面及 前后金屬接頭的外表面包覆2層（共2mm)橡膠絕熱層，橡膠絕熱層間刷涂AE橡膠膠粘劑 (即三聚氰胺改性樹脂），增加橡膠層間的表面粘接力；所述橡膠絕熱層為三元乙丙橡膠絕 執(zhí)層.
[0025] 4)制備耐高溫環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂：固化劑：促進劑按照重量比1 :0. 5 :0. 005 的比例混合制得耐高溫環(huán)氧樹脂膠；所述環(huán)氧樹脂由縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂和縮水甘 油胺類環(huán)氧樹脂按1:1的比例組成，所述固化劑為甲基納迪克酸酐，所述促進劑為2-乙 基-4-甲基咪唑；
[0026] 步驟5)將日本東麗T700連續(xù)碳纖維按照纏繞機穿紗順序，依次通過出紗口，浸膠 輥，在35°C下浸潤在步驟4)制得的耐高溫環(huán)氧樹脂膠中；
[0027] 步驟6)連續(xù)碳纖維纏繞，使用步驟5)浸潤過的連續(xù)碳纖維對步驟3)的橡膠絕熱 層進行纏繞，纏繞時采用縱向纏繞和環(huán)向纏繞相交替的方式進行，環(huán)向纏繞四層，縱向纏繞 四層；環(huán)向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的中間筒段12進行，環(huán)向纏繞面和橡膠絕熱層軸心線夾 角即環(huán)向纏繞角度為90度；縱向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的中間筒段12和前后金屬接頭纏 繞，縱向纏繞角度為33度，纏繞張力控制為18N/股。縱向纏繞時連續(xù)碳纖維從殼體的前金 屬接頭（或后金屬接頭）繞經(jīng)中間筒段12至后金屬接頭（或前金屬接頭），再繞經(jīng)中間筒 段12回到前金屬接頭（或后金屬接頭），如此反復進行纏繞完成。
[0028] 步驟7)在上述纏繞工藝結束后，對復合材料殼體進行固化，以I. 5°C /min的升溫 速度，至KKTC保溫2小時，再依次升高至120°C保溫3小時，升高到150°C保溫4小時，升 高到180保溫10小時，最后以I. 5°C /min的降溫速度，使得殼體冷卻到室溫即完成固化， 固化完成后，經(jīng)纖維纏繞的前后金屬接頭分別形成前封頭3 (在圖1中由于與芯模1的前段 11緊貼，將其與芯模1的前段11 一起標注）和后封頭4(在圖1中由于與芯模1的后段13 緊貼，將其與芯模1的后段13 -起標注），中間筒段12部分形成殼體的橡膠絕熱層和連續(xù) 碳纖維纏繞層。
[0029] 步驟8)在上述殼體固化工藝完成后，用高壓水槍將芯模1沖洗溶解干凈，取出芯 軸2,并清除芯模中間筒段12周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內壁清潔干凈，完成后 用氣管吹干殘留的水分，即得耐高溫纖維纏繞復合材料殼體。
[0030] 按照上述工藝，對成型的2個輕質高強耐高溫復合材料殼體進行了常溫水壓爆破 試驗、高溫（160°C )水壓爆破試驗，具體的試驗結果如下表所示：
[0031] 表1水壓爆破試驗
[0032]

【權利要求】
1. 一種耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法；其特征在于：包括如下步驟： 1) 石英砂芯模的制備：按照石英砂、聚乙烯醇和水的重量為100 : (1?2) : 6的比 例配制石英砂混合膠粘劑，固化制備石英砂芯模，機加到與產(chǎn)品相適應的形狀，將機加后的 芯模組裝到芯軸上； 2) 在芯模中間筒段周圍包裹一層聚四氟乙烯薄膜，芯模前段和后段表面則各刷涂一層 脫模劑； 3) 在前后金屬接頭的內表面各貼上3層橡膠絕熱層，然后將其分別安裝在芯模的前段 和后段上，在芯模中間筒段聚四氟乙烯薄膜上面及前后金屬接頭的外表面包覆2層橡膠絕 熱層，橡膠絕熱層間刷涂三聚氰胺改性樹脂膠粘劑，增加橡膠層間的表面粘接力；所述橡膠 絕熱層為三元乙丙橡膠絕熱層； 4) 制備耐高溫環(huán)氧樹脂膠，環(huán)氧樹脂：固化劑：促進劑按照重量比1 :(0.2?0.6):(0. 005?0. 006)的比例混合制得耐高溫環(huán)氧樹脂膠；所述環(huán)氧樹脂由縮水甘油醚類環(huán)氧 樹脂和縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂組成，所述固化劑為甲基納迪克酸酐，所述促進劑為2-乙 基-4-甲基咪唑； 5) 將連續(xù)碳纖維按照纏繞機穿紗順序，依次通過出紗口，浸膠輥，在30?40°C下浸潤 在步驟4)制得的耐高溫環(huán)氧樹脂膠中； 6) 連續(xù)碳纖維纏繞，使用步驟5)浸潤過的連續(xù)碳纖維對步驟3)的橡膠絕熱層進行纏 繞，纏繞時采用縱向纏繞和環(huán)向纏繞相交替的方式進行，交替纏繞2?4次，每次環(huán)向纏繞 和縱向纏繞的次數(shù)為1?2層，纏繞張力控制為12?20N/股； 7) 在上述纏繞工藝結束后，對復合材料殼體進行固化，以1?2°C /min的升溫速度，至 l〇〇°C保溫2小時，再依次升至120°C保溫3小時，升至150°C保溫4小時，升至180°C保溫 10小時，最后以不大于2°C /min的降溫速度，使得殼體冷卻到室溫即完成固化； 8) 在上述殼體固化工藝完成后，用高壓水槍對芯模進行沖洗以溶解芯模，取出芯軸，并 清除芯模中間筒段周圍包裹的聚四氟乙烯薄膜，使得殼體內壁清潔干凈，經(jīng)吹干殘留的水 分，即得耐高溫纖維纏繞復合材料殼體。
2. 根據(jù)權利要求1所述的耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法；其特征在于：所述步 驟6)中，環(huán)向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的中間筒段進行，環(huán)向纏繞面和橡膠絕熱層軸心線夾 角為90度；縱向纏繞圍繞著橡膠絕熱層的中間筒段和前后金屬接頭纏繞，縱向纏繞面和橡 膠絕熱層軸心線夾角即縱向纏繞角度為15?45度，縱向纏繞時連續(xù)碳纖維從殼體一端的 金屬接頭繞經(jīng)中間筒段至另一端的金屬接頭，再繞經(jīng)中間筒段回到起始一端的金屬接頭， 如此反復進行纏繞完成。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法；其特征在于：所 述步驟6)中，縱向纏繞角度為32度，纏繞張力為18N/股。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法；其特征在于：所 述步驟5)中，所述連續(xù)碳纖維為日本東麗1700連續(xù)碳纖維或日本東麗T800連續(xù)碳纖維。
5. 根據(jù)權利要求3所述的耐高溫纖維復合材料殼體的制造方法；其特征在于：所述步 驟5)中，所述連續(xù)碳纖維為日本東麗1700連續(xù)碳纖維或日本東麗T800連續(xù)碳纖維。
【文檔編號】B32B19/04GK104354436SQ201410623751
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權日:2014年11月7日
【發(fā)明者】姚桂平, 黃澤勇, 鄧德鳳, 張志斌, 余天雄 申請人:湖北三江航天江北機械工程有限公司