一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管制造技术

本发明专利技术涉及一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管，包括喉衬、收敛段、隔热层、内烧蚀层和复合材料壳体，喉衬作为起始面层，收敛段、烧蚀层、隔热层以及复合材料壳体依次由内向外回转成型为喷管，在所有缠绕工作完成后整体进行一次热压固化成型；收敛段为碳纤维布带预浸料整体缠绕成型；烧蚀层在喉衬和模具上通过纤维或布带经缠绕而成；隔热层在烧蚀层外侧通过纤维或布带预浸料斜缠成型；复合材料壳体在隔热层外侧通过纤维或布带铺放或缠绕成型。本发明专利技术通过过渡结构树脂的共固化技术，一次完成复合材料喷管不同结构和功能层的固化，界面无化学结构性突变，从而使界面强度提高，无脱粘风险，同时还缩短了全复合材料喷管的生产周期。期。期。

【技术实现步骤摘要】
一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管


[0001]本专利技术专利涉及固体火箭发动机
，具体涉及一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管。

技术介绍

[0002]发动机喷管是固体火箭发动机工作环境最恶劣的部位，据不完全统计，固体火箭发动机故障80％以上出现在喷管。发动机喷管工作过程中需要承受3000℃以上的高温、上百个大气压的压力和数个马赫的高温、高压、高速的燃气的冲刷和烧蚀，因此，发动机喷管既是结构部件(需要承受极高的压力)又是功能部件(需要抵抗高温高压高速燃气冲刷和烧蚀)。基于上述原因，固体火箭发动机喷管极为复杂，其由功能层(喉衬、收敛段、烧蚀层和隔热层)和结构层(承力壳体)组成，其中功能层主要起到抵抗烧蚀和隔热的作用，而结构层则主要起到结构承载作用。
[0003]传统的发动机喷管各功能层和结构层部件采用装配的方式成型，主要包括喉衬、收敛段、背衬、扩散段和结构层分别成型后配车胶接。此种成型方式一方面存在较多的装配间隙，从而容易导致喷管工作过程中蹿气而失效解体；另一方面，此种方式采用金属结构层，其比强度低，从而整个喷管的重量高，降低了火箭的整体运载能力。一体化成型复合材料喷管是解决上述问题的有效方法，专利技术专利CN 106979095A提出了使用整体式喷管替代装配式喷管的制作方法，通过使用复合材料结构层替代金属结构层大大降低了喷管的整体重量，采用一体化成型方法较好的解决了装配可能蹿气的风险。使用新型专利ZL 20172 1734657.6和ZL 201820739442.1则进一步介绍了一体化成型复合材料喷管的 Z向增强和收敛段防冲刷的方法。然而，这些一体化成型的方式都存在多步固化多步加工的情况，多步固化多步加工会给一体化成型复合材料喷管带来如下两方面的弊端：
[0004](1)多步固化的后面固化过程中，前面已经固化的各功能结构层的热膨胀系数不一样，在后一步固化过程中存在较大的热应力，从而导致界面层破坏；
[0005](2)由于喷管生产过程中固化及加工耗时占比很大，固化及加工程序增多会带来喷管生产效率的大大降低。
[0006]鉴于多步固化加工会带来上述弊端，亟待找到一种新的固化加工工艺来优化发动机喷管的生产加工以及提高其工作可靠性。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对目前一体化成型复合材料喷管的多步固化多步加工的问题，采用过渡结构树脂的共固化技术，一次完成复合材料喷管不同结构和功能层的固化，避免了全复合材料喷管多次固化导致的热膨胀应力及固化界面不可靠的问题，同时减少了全复合材料喷管的生产周期，大大提高了全复合材料喷管的生产能力和工作可靠性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管，包括喉衬、收敛段、隔热层、内烧蚀层和复合材料壳体，喉衬作为起始面层，收敛段、烧蚀层、隔
热层以及复合材料壳体依次由内向外回转成型为喷管，在所有缠绕(铺放)工作完成后整体进行一次热压固化成型；
[0009]所述喉衬为碳纤维编织整体成型制备成预制件后经化学气相沉积工艺而成的碳碳复合材料；
[0010]所述收敛段为碳纤维布带预浸料整体缠绕成型；
[0011]所述烧蚀层在喉衬和模具上通过纤维或布带经缠绕而成；
[0012]所述隔热层在烧蚀层外侧通过纤维或布带预浸料斜缠成型；
[0013]所述复合材料壳体在隔热层外侧通过纤维或布带铺放或缠绕成型。
[0014]待所有缠绕工作完成后，喷管进行整体热压固化成型，优选固化温度160℃
ꢀ‑
170℃，固化时间7.5
‑
8.5小时。
[0015]所述收敛段所用碳纤维布带预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述烧蚀层所用布带预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述隔热层所用高硅氧布预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述复合材料壳体所用布带预浸料树脂基体为环氧改性酚醛树脂；酚醛树脂和环氧改性酚醛树脂在固化时相互渗透、相互扩散，形成酚醛
‑ꢀ
环氧改性酚醛树脂的梯度界面。
[0016]优选地，所述喷管的喉径为5
‑
500mm，出口外径50
‑
2000mm。
[0017]优选地，所述收敛段通过预浸料布带平叠缠绕或者以5
°‑
15
°
的缠绕角斜叠缠绕形成。
[0018]优选地，所述烧蚀层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5
°‑
15
°
的缠绕角斜叠缠绕形成。
[0019]优选地，所述隔热层通过预浸料布带平叠缠绕或者以5
°‑
15
°
的缠绕角斜叠缠绕形成。
[0020]优选地，所述喉衬的密度为1.70g/cm3至1.90g/cm3，喉径为10
‑
500mm。
[0021]优选地，所述复合材料壳体靠近喷管入口端的一侧设置有法兰。
[0022]本专利技术提出的一次成型的全复合材料喷管，具有如下有益效果：
[0023](1)喷管一次固化成型，生产工艺简单，生产周期短，同时无结构缺陷；
[0024](2)喷管生产过程中仅经历一次固化过程，避免了全复合材料喷管因多次固化导致的各部分热应力不匹配产生的缺陷，不产生多次固化的界面，提高了安全系数；经验证，相同材料的喷管,采用分段固化界面失效系数为0.5，若采用本专利技术的一次性共固化，则界面失效系数降低到0.2，安全性提高了2.5倍。
[0025](3)界面层采用过渡树脂的共固化技术，界面为梯度树脂材料，内结构使用的树脂基体为酚醛树脂，而复合材料壳体采用的树脂基体为环氧改性酚醛树脂，酚醛树脂和环氧改性酚醛树脂在固化时相互渗透、相互扩散，形成酚醛
‑
环氧改性酚醛树脂的梯度界面，无化学结构性突变，从而使界面强度提高，无脱粘风险。经验证，在承受相同6MPa压力条件下，在相同位置点，采用分段固化所制备的喷管，酚醛结构和环氧结构界面剪切方向失效系数为0.7，而本专利技术制备的喷管界面剪切方向失效系数为0.4，安全性提高了1.75倍。
附图说明
[0026]图1为本专利技术喉衬、收敛段及芯模装配示意图；
[0027]图2为烧蚀层缠绕示意图；
[0028]图3为隔热层缠绕示意图；
[0029]图4为复合材料壳体铺放示意图。
[0030]符号说明：1
‑
缠绕芯模，2
‑
喉衬，3
‑
收敛段，4
‑
烧蚀层，5
‑
隔热层，6
‑
复合材料壳体。
具体实施方式
[0031]下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步的描述。
[0032]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0033]需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一次固化成型的全复合材料发动机喷管，其特征在于，由喉衬、收敛段、隔热层、内烧蚀层和复合材料壳体构成，喉衬作为起始面层，收敛段、烧蚀层、隔热层以及复合材料壳体依次由内向外回转成型为喷管，在所有缠绕工作完成后整体一次热压固化成型；所述喉衬为碳纤维编织整体成型制备成预制件后经化学气相沉积工艺而成的碳/碳复合材料；所述收敛段为碳纤维布带预浸料整体缠绕成型；所述烧蚀层在喉衬和头部加强层上通过纤维或布带预浸料经缠绕而成；所述隔热层在烧蚀层外侧通过纤维或布带预浸料斜缠成型；所述复合材料壳体在隔热层外侧通过纤维或布带预浸料铺放或缠绕成型；待所有缠绕工作完成后，喷管进行整体进行一次热压固化成型。2.根据权利要求1所述的一次固化成型的全复合材料发动机喷管，其特征在于，所述收敛段所用碳纤维布带预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述烧蚀层所用布带预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述隔热层所用高硅氧布预浸料的树脂基体为酚醛树脂，所述复合材料壳体所用布带预浸料树脂基体为环氧改性酚醛树脂。3.根据权利要求1所述的一次固化成型的全复合材料发动机喷管，其特征在于，所述喷管的喉径为5
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄驰，胡铭杰，尹佶欣，冯栩声，廖俊，
申请(专利权)人：湖北航泰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：