一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及其成形工艺。该结构包括防热结构层、隔热过渡层和承载结构层。该成形工艺首先预置导向棒，采用不同种类纤维不同组合方式，控制纤维缠绕过程中的先后次序，改变导向套中心距，将导向套替换成纤维，制备出多材料、多层以及密度梯度的预制体。所述防热结构层采用防热性能优异的纤维沿着导向套缠绕铺放制成。所述隔热过渡层采用隔热性能优异的纤维沿着导向套缠绕制成。所述承载结构层为采用连续纤维沿着导向套缠绕铺放制成。所述密度梯度结构通过控制导向套中心距以及纤维铺放缠绕组合方式来实现。本发明专利技术预制体结构与基体浸渍后制备的复合材料能够实现防热/隔热/承载一体化的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺
本专利技术涉及一种防热/隔热/承载复合材料预制体结构及成形工艺，具体涉及一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺，用于复合材料防热/隔热/承载一体化热防护领域。
技术介绍
高超声速飞行器具备高超声速巡航、反应快速、战略价值高等特点成为各大国竞相发展的重要战略装备。高超声速飞行器在临近空间高超声速飞行和高超声速再入过程中，飞行器表面温度非常高，同时机身舱体承受超高动载荷。热防护系统位于高超声速飞行器机身外部，保护飞行器机身及内部结构温度不超过所能承受的温度极限。随着飞行器对结构效率要求的不断提高，促使热防护系统不仅要满足防隔热要求，同时也要能够承受一定的载荷，因此，高超声速飞行器热防护系统不断趋向防热/隔热/承载一体化方向发展。传统的热防护结构主要有波纹夹芯一体化热防护结构、刚性隔热夹芯一体化结构以及多级结构一体化热防护等，具备良好的比刚度、比强度、防热/隔热/承载性能，也拥有广阔的应用前景。但是，不论是夹芯结构还是多层级结构由于受限于制备工艺及自身结构，导致热防护系统重量偏大、防热性能稳定性差，进而影响高超声速飞行器热防护系统的可靠性。针对高超声速飞行器热防护系统提出的防热/隔热/承载一体化要求，开展复合材料防热/隔热/承载一体化热防护系统成为高超声速飞行器一个亟待解决的问题，而预制体成形是研究防热/隔热/承载一体化复合材料的关键。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，实现高超声速飞行器热防护系统防热/隔热/承载一体化，进一步提升热防护系统的性能，提出一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺。本专利技术采用如下的技术方案：一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺，包括防热结构层1、隔热过渡层2以及承载结构层3，所述预制体成形工艺步骤包括：(1)准备定位板与导向棒，在定位板上打孔，将导向棒固定在定位板上，防热结构层和承载结构层孔距较小，隔热过渡层孔距较大。(2)织造防热结构层1，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1内各行导向棒，接着进行水平方向的纤维铺放。(3)防热结构层1织造完成后，更换纤维种类织造隔热过渡层2，纤维首先沿着防热结构层1最后一排导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1与隔热过渡层2，然后沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接隔热过渡层2和承载结构层3。(4)更换纤维种类织造承载结构层3，纤维首先沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接承载结构层3内各行导向棒，接着进行垂直方向和水平方向纤维铺放。(5)将步骤(2)、(3)和(4)得到的预制体进行压实处理，消除纤维内间隙。(6)选用与防热结构层1、隔热过渡层2和承载结构层3相同种类的纤维，根据需要，将导向棒替换成纤维，制备成具有多材料、多层以及密度梯度结构的预制体。所述防热结构层1为高面密度和高层密度结构层，定位板上孔距较小，材质为碳纤维、SiC纤维、石英纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、金属丝中的一种或多种组合，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1内各行导向棒，接着沿着导向套水平方向铺放。所述隔热过渡层2为低密度层，定位板上孔距较大，材质为碳纤维、SiC纤维、石英纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、金属丝中的一种或多种组合，纤维以防热结构层1最后一排导向棒为起点，以承载结构层3第一排导向棒为终点，沿着导向棒进行交叉缠绕，将防热结构层1与承载结构层3连接起来。所述承载结构层3为高密度层，定位板上孔距较小，材质为碳纤维、SiC纤维、石英纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、金属丝中的一种或多种组合，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接承载结构层3内各行导向棒，着进行垂直方向和水平方向纤维铺放。所述的压实处理，压实孔板沿着导向棒对预制体进行压实，消除预制体内纤维间间隙。所述的将导向棒替换成纤维，保证同一层内纤维连续，替换导向棒的纤维与该层纤维种类相同。所述的密度梯度通过调整定位板上孔距以及纤维铺放缠绕不同方式来实现。所述的防热结构层1、隔热过渡层2、承载结构3层层厚和位置分布可根据使用环境要求调整。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术将热防护结构划分为防热、隔热、承载三层，不同层通过选用不同材质来获得所需的最佳性能，其层厚与位置分布可根据使用环境进行调整。2、本专利技术所述预制体各层采用不同的纤维缠绕铺放方式，可实现不同层具有不同的面密度，同时可实现层间融合，实现一体化成形。3、本专利技术所述预制体通过调整定位板上孔距以纤维铺放缠绕方式，可实现密度梯度结构。基于以上表述，本专利技术的一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺可作为高超声速飞行器热防护系统的方案。附图说明图1是本专利技术异质多层防隔热复合材料预制体的结构示意图。图2是本专利技术实施案例导向套布置侧视图。图3是本专利技术实施案例导向套布置俯视图。图4是本专利技术实施案例防热结构层成形工艺示意图。图5是本专利技术实施案例隔热过渡层成形工艺示意图。图6是本专利技术实施案例承载结构层成形工艺示意图。图7是本专利技术实施案例压实处理示意图。具体实施方式准备定位板5与导向棒4，导向棒直径为1.2mm，在定位板5上打孔，孔径为1.2mm，将导向棒4固定在定位板5上，如图2所示。图3为导向棒4分布俯视图，y方向导向套中心距为2mm，第一、第二、第四和第五排导向套x方向中心距为2mm，第三排导向套x方向中心距为4mm。防热结构层1材质选用3K的SiC纤维，面密度为1.79g/cm3，导向套x、y方向中心距均为2mm，纤维沿着导向套按照图4中6的方式进行交叉缠绕，接着沿着导向套水平方向铺放，制备出厚度为8mm的防热结构层1，层密度为5层/10mm。隔热过渡层2材质选用石英纤维，密度为2.2g/cm3，导向套x方向中心距为4mm，石英纤维按照图5中7的方式，首先沿着防热结构层1最后一排导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1与隔热过渡层2，然后沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接隔热过渡层2和承载结构层3，制备出厚度为5mm的隔热过渡层2，层密度为4层/10mm。承载结构层3选用12K碳纤维，密度为1.8g/cm3，导向套x、y方向中心距均为2mm，碳纤维按照图6中8的方式，首先沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接承载结构层3内各行导向棒，接着进行垂直方向和水平方向纤维铺放，制备出厚度为6mm的承载结构层，层密度为5层/10mm。将得到的预制体进行压实，压实孔板9沿着导向套4压实预制体10，如图7所示，消除预制体内纤维间隙。采用3KSiC纤维替换防热结构层1导向棒，采用石英纤维替换隔热过渡层2中的导向棒，采用12K碳纤维替换承载结构层3中的导向棒，完成异质多层防隔热复合材料预制体的制备。本专利技术所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本专利技术构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺，其特征在于，包括：防热结构层1、隔热过渡层2和承载结构层3，所述预制体成形工艺步骤包括：(1)准备定位板与导向棒，在定位板上打孔，将导向棒固定在定位板上，防热结构层和承载结构层孔距较小，隔热过渡层孔距较大。(2)织造防热结构层1，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1内各行导向棒，接着进行水平方向的纤维铺放。(3)防热结构层1织造完成后，更换纤维种类织造隔热过渡层2，纤维首先沿着防热结构层1最后一排导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1与隔热过渡层2，然后沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接隔热过渡层2和承载结构层3。(4)更换纤维种类织造承载结构层3，纤维首先沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接承载结构层3内各行导向棒，接着进行垂直方向和水平方向纤维铺放。(5)将步骤(2)、(3)和(4)得到的预制体进行压实处理，消除纤维内间隙。(6)选用与防热结构层1、隔热过渡层2和承载结构层3相同种类的纤维，根据需要，将导向棒替换成纤维，制备成具有多材料、多层以及密度梯度结构的预制体。

【技术特征摘要】
1.一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺，其特征在于，包括：防热结构层1、隔热过渡层2和承载结构层3，所述预制体成形工艺步骤包括：(1)准备定位板与导向棒，在定位板上打孔，将导向棒固定在定位板上，防热结构层和承载结构层孔距较小，隔热过渡层孔距较大。(2)织造防热结构层1，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1内各行导向棒，接着进行水平方向的纤维铺放。(3)防热结构层1织造完成后，更换纤维种类织造隔热过渡层2，纤维首先沿着防热结构层1最后一排导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1与隔热过渡层2，然后沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接隔热过渡层2和承载结构层3。(4)更换纤维种类织造承载结构层3，纤维首先沿着承载结构层3第一排导向棒进行交叉缠绕，连接承载结构层3内各行导向棒，接着进行垂直方向和水平方向纤维铺放。(5)将步骤(2)、(3)和(4)得到的预制体进行压实处理，消除纤维内间隙。(6)选用与防热结构层1、隔热过渡层2和承载结构层3相同种类的纤维，根据需要，将导向棒替换成纤维，制备成具有多材料、多层以及密度梯度结构的预制体。2.根据权利要求1所述的一种异质多层防隔热复合材料预制体结构及成形工艺，其特征在于，所述防热结构层1为高面密度和高层密度结构层，定位板上孔距较小，材质为碳纤维、SiC纤维、石英纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、金属丝中的一种或多种组合，纤维首先沿着导向棒进行交叉缠绕，连接防热结构层1内各行导向棒，接着沿着导向套水平方向铺放。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，孙正，刘丰，张群，胡培利，
申请(专利权)人：机械科学研究总院集团有限公司，北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11