國產(chǎn)T700炭纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體強(qiáng)度設(shè)計及成型工藝①

林 松，張 琳，高志琪，孫艷榮，李文斌

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程，廊坊 065000；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，炭纖維纏繞復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度與比模量，廣泛用于化學(xué)工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域[1-3]。航天高性能復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體通常采用炭纖維纏繞成型，可以極大地減少發(fā)動機(jī)消極質(zhì)量，目前大部分采用進(jìn)口高性能的T700級及其以上炭纖維[4-6]，受國外進(jìn)口原材料限制影響，應(yīng)用國產(chǎn)化纖維是必然趨勢。當(dāng)前，國產(chǎn)T700炭纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)，但其在纏繞成型發(fā)動機(jī)殼體上的報道有限，主要是由于其原材料、生產(chǎn)工藝以及上漿劑等與進(jìn)口炭纖維存在差異，導(dǎo)致其纏繞成型的復(fù)合材料性能低于進(jìn)口纖維。特別是涉及到國產(chǎn)T700纖維纏繞成型的關(guān)鍵工藝參數(shù)如：纏繞帶距、纏繞張力等需要進(jìn)行重新設(shè)計[7-9]，急需開展國產(chǎn)T700炭纖維在發(fā)動機(jī)殼體上的強(qiáng)度設(shè)計及成型工藝研究。

本文目的在于進(jìn)行國產(chǎn)T700炭纖維纏繞成型關(guān)鍵工藝參數(shù)如纏繞張力、展紗寬度、排紗均勻性以及含膠量等參數(shù)的設(shè)計及工藝優(yōu)化研究，根據(jù)設(shè)計優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用網(wǎng)格理論進(jìn)行復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體的強(qiáng)度設(shè)計，探索國產(chǎn)T700炭纖維發(fā)動機(jī)殼體的成型工藝參數(shù)及其強(qiáng)度設(shè)計，制備出高結(jié)構(gòu)效率的φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體，推進(jìn)國產(chǎn)T700炭纖維在航天發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料

纏繞樹脂體系，自制；國產(chǎn)T700炭纖維，6K，河南永煤，其基本性能如表1所示；φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體砂芯模，自制。

表1 國產(chǎn)T700炭纖維力學(xué)性能

1.2 試樣制備

按照GB/T2578分別制備15～55 N及30～14 N遞減纏繞張力的復(fù)合材料NOL環(huán)拉伸及層間剪切試樣，其中纖維展紗寬度為3.5 mm，纏繞層數(shù)為16層；按照GB/T2578的方法，分別制備纖維展紗寬度為3.5、2.5、2、1.5、1 mm的NOL環(huán)試樣，纏繞層數(shù)分別為16、10、9、7、5層，纏繞張力為30 N；按照GB/T 6058—2005《纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》，將纖維浸漬過樹脂后在纏繞張力作用下，通過纏繞機(jī)纏繞成型于發(fā)動機(jī)殼體的砂芯模表面，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)固化后，采用水沖洗內(nèi)部的砂芯模，制得φ150 mm的發(fā)動機(jī)殼體。

1.3 測試及表征

分別按照GB/T1458與GB/T1461的方法采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試NOL環(huán)的拉伸強(qiáng)度與層間剪切強(qiáng)度；按照GB/T 3366的方法采用金相顯微鏡法對復(fù)合材料NOL環(huán)的纖維體積含量進(jìn)行測試；按照GB/T 6058《纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》在水壓試驗(yàn)工裝內(nèi)進(jìn)行φ150 mm的發(fā)動機(jī)殼體的爆破試驗(yàn)，記錄爆破壓強(qiáng)及失效模式。

NOL環(huán)纖維強(qiáng)度發(fā)揮率計算公式如下：

δ=FNOL/(VfFfiber)100%

(1)

式中δ為纖維強(qiáng)度發(fā)揮率，%；FNOL為NOL環(huán)拉伸強(qiáng)度，MPa；Vf為纖維體積含量，%；Ffiber為纖維復(fù)絲強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 纏繞樹脂力學(xué)性能

本文采用的纏繞樹脂體系的力學(xué)性能如表2所示。樹脂體系具有較高的拉伸強(qiáng)度，且韌性較好，可滿足國產(chǎn)T700炭纖維的匹配性要求。樹脂澆注體拉伸斷面SEM照片如圖1所示，樹脂斷面呈現(xiàn)魚鱗狀，說明此配方樹脂受力破壞呈現(xiàn)為韌性破壞，這有利于延緩氣瓶受內(nèi)壓時基體樹脂開裂的趨勢[10]，可充分發(fā)揮國產(chǎn)炭纖維的拉伸強(qiáng)度。

表2 纏繞樹脂力學(xué)性能

圖 1 樹脂澆注體拉伸斷面SEM照片

2.2 發(fā)動機(jī)殼體纏繞成型張力設(shè)計

發(fā)動機(jī)殼體纏繞過程中需對纖維施加一定的張力，以提高復(fù)合材料的密實(shí)度，進(jìn)一步提高纖維的取向性，從而充分發(fā)揮炭纖維的拉伸性能[11-12]。但纏繞張力會使外層纖維擠壓內(nèi)層，導(dǎo)致內(nèi)層樹脂向外遷移，從而導(dǎo)致纖維體積含量沿壁厚非均勻分布，并且外層纖維會擠壓內(nèi)層纖維，導(dǎo)致內(nèi)層纖維張力松弛，最終對復(fù)合材料的整體性能產(chǎn)生影響[13-14]。在發(fā)動機(jī)殼體實(shí)際工藝設(shè)計中，如何確定每層纖維的纏繞張力以便獲得設(shè)計的預(yù)應(yīng)力和保證各層纖維處于等張力狀態(tài)至關(guān)重要，一般采用逐層遞減的張力制度來進(jìn)行復(fù)合材料的纏繞張力設(shè)計[15]。

本文采用國產(chǎn)T700-6K炭纖維成型不同張力NOL環(huán)，進(jìn)行纏繞張力的設(shè)計研究。如表3所示，復(fù)合材料NOL環(huán)的拉伸及層剪強(qiáng)度受纏繞張力的影響較大，均隨纏繞張力的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，纏繞張力為30 N時拉伸強(qiáng)度達(dá)到2377.7 MPa的最大值，纏繞張力為40 N時層間剪切強(qiáng)度達(dá)到98.8 MPa的最大值。

表3 不同纏繞張力NOL環(huán)的力學(xué)性能

不同纏繞張力會導(dǎo)致復(fù)合材料纖維體積含量的差異，從而造成宏觀拉伸強(qiáng)度的較大差異，為表征纏繞張力對纏繞成型后復(fù)合材料中炭纖維本身拉伸強(qiáng)度的影響，通過歸一法計算出復(fù)合材料中炭纖維在拉伸破壞過程中的強(qiáng)度發(fā)揮率，如式(1)所示。其結(jié)果如圖2所示，纖維強(qiáng)度發(fā)揮率隨著纏繞張力層現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在纏繞張力為30 N時達(dá)到最高值77%。

對于炭纖維纏繞成型，纏繞張力不宜過大。如圖3(a)所示纏繞張力為30N時國產(chǎn)T700炭纖維被樹脂基體緊密包裹，界面結(jié)合較好。隨著纏繞張力增大，如圖3(b)所示外層纖維在纏繞張力作用下會擠壓內(nèi)部樹脂導(dǎo)致其向外遷移過多，使得材料局部出現(xiàn)缺膠與孔隙等缺陷，從而導(dǎo)致復(fù)合材料NOL環(huán)隨著纏繞張力增大拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)下降。由于發(fā)動機(jī)殼體在受力過程中纖維主要承受拉伸載荷，所以可主要考慮纏繞張力對拉伸強(qiáng)度的影響，綜合以上NOL環(huán)試樣力學(xué)強(qiáng)度及微觀形貌觀察，將30 N作為復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體的纖維纏繞張力的最大值。

圖2 不同纏繞張力NOL環(huán)纖維強(qiáng)度發(fā)揮率

(a)30 N

(b)50 N

本文在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上制定了起始纏繞張力30 N，每層遞減0.5 N與每層遞減1 N的纏繞張力制度，依據(jù)以上2種遞減纏繞張力制度纏繞成型NOL環(huán)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。如表4所示，與恒定30 N纏繞張力制度相比，采用遞減張力制度制備NOL環(huán)的拉伸強(qiáng)度提升明顯，說明在設(shè)計的遞減張力制度下，各層纖維可以達(dá)到等張力狀態(tài)，從而提高纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率。起始纏繞張力30 N每層遞減0.5 N NOL環(huán)纖維強(qiáng)度發(fā)揮率最高為83.2%，可作為發(fā)動機(jī)殼體的纏繞張力制度。

表4 逐層遞減纏繞張力NOL環(huán)的力學(xué)性能

2.3 發(fā)動機(jī)殼體纏繞成型展紗帶距的設(shè)計

炭纖維纏繞帶距會對發(fā)動機(jī)殼體的成型質(zhì)量造成影響[16-17]，主要是由于纏繞成型過程，為避免單一纏繞層出現(xiàn)纖維間隙，纏繞相鄰紗線之間需要進(jìn)行適當(dāng)搭接，搭接的寬度一方面會對纏繞層纖維厚度產(chǎn)生影響，另一方面也會對纏繞角產(chǎn)生影響，從而影響復(fù)材的性能。本文采用30 N纏繞張力，進(jìn)行國產(chǎn)T700炭纖維纏繞帶距的設(shè)計優(yōu)化試驗(yàn)，即采用不同設(shè)計帶距纖維纏繞成型筒形結(jié)構(gòu)件，然后加工切割成NOL環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能測試。其涉及影響宏觀力學(xué)性能的參數(shù)主要包括纏繞設(shè)計帶距b、未搭接寬度ΔM、搭接寬度ΔZ及纏繞角θ，如圖4所示。

圖4 NOL環(huán)筒形纏繞設(shè)計帶距示意圖

針對國產(chǎn)T700炭纖維的展紗特性，設(shè)計了從3.5～1 mm的展紗寬度，并對以上各個參數(shù)進(jìn)行了計算，主要結(jié)果如表5所示，其中國產(chǎn)T700的理論展紗寬度取4 mm，模具直徑R=150 mm，計算公式如下：

ΔZ=4-b

(2)

ΔM=b-ΔZ

(3)

θ=arctan(R/b)

(4)

從表5可看出，纏繞設(shè)計帶距從3.5～1 mm纏繞角接近90°，所以其對復(fù)材的性能影響較小。但纏繞設(shè)計帶距的變化會導(dǎo)致纏繞后的實(shí)際厚度大于理論的厚度，尤其當(dāng)展紗帶距為1 mm，NOL環(huán)實(shí)際厚度最大為2.11 mm遠(yuǎn)大于理論1.71 mm厚度，這主要是由于纖維在纏繞成型過程中紗線搭接過多會導(dǎo)致局部纖維堆積搭接過厚。

為表征不同設(shè)計帶距對力學(xué)性能的影響，進(jìn)行不同展紗寬度NOL環(huán)的拉伸性能測試。如表6所示，當(dāng)纏繞設(shè)計帶距為2.5 mm時纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到2502.2 MPa，并且纖維強(qiáng)度發(fā)揮率高達(dá)78%，明顯優(yōu)于其他設(shè)計帶距NOL環(huán)性能。

表5 不同纏繞設(shè)計帶距NOL環(huán)纏繞參數(shù)計算結(jié)果

為了進(jìn)一步研究其破壞機(jī)理，典型NOL環(huán)拉伸曲線與宏觀破壞形貌進(jìn)行對比，如圖5所示。

圖5 不同展紗寬度NOL環(huán)拉伸/位移曲線

由圖5可見，除帶距為2.5 mm的NOL環(huán)試樣外，其余纏繞帶距試樣在拉伸過程中均出現(xiàn)提前卸載現(xiàn)象，表明復(fù)合材料在拉伸過程中出現(xiàn)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致部分纖維提前出現(xiàn)斷裂破壞，其會極大地降低復(fù)合材料的拉伸載荷[18-19]。復(fù)合材料破壞的宏觀形貌如圖6(a)、(c)、(d)所示，纏繞帶距為1 mm時，復(fù)合材料NOL環(huán)呈現(xiàn)明顯間歇性局部斷裂破壞，與圖5所示的拉伸載荷出現(xiàn)多次卸載現(xiàn)象吻合。而圖6(b)所示纏繞帶距為2.5 mm時，纖維基本實(shí)現(xiàn)同時斷裂破壞，有利于充分發(fā)揮復(fù)合材料的力學(xué)性能。這主要是由于纏繞帶距選取過小時，纖維在纏繞過程中局部會大量搭界，導(dǎo)致纖維在厚度方向上呈現(xiàn)不均勻分布，并且內(nèi)層纖維存在曲屈現(xiàn)象，在受拉伸載荷過程中容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部纖維層提前斷裂，從而降低復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度。纖維設(shè)計帶距過寬，會導(dǎo)致纏繞過程中相鄰纖維之間出現(xiàn)縫隙，同樣會導(dǎo)致局部纖維受力不均，在一定程度上不利于纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。

表6 不同展紗寬度NOL環(huán)的拉伸性能

(a)12#-纏繞帶距3.5 mm (b)13#-纏繞帶距2.5 mm (c)15#-纏繞帶距1.5 mm (d)16#-纏繞帶距1 mm

綜上所述，國產(chǎn)T700-6K炭纖維纏繞設(shè)計帶距的選取會在一定程度上影響復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，經(jīng)過帶距設(shè)計及試驗(yàn)驗(yàn)證本文國產(chǎn)T700炭纖維發(fā)動機(jī)殼體纏繞纖維帶距可采用2.5 mm。

2.4 φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體的纏繞和爆破性能研究

采用網(wǎng)格理論對復(fù)合材料氣瓶筒身段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)如炭纖維的發(fā)揮強(qiáng)度、展紗寬度及單層厚度等均采用以上復(fù)合材料工藝優(yōu)化的實(shí)測值，可以極大地提高強(qiáng)度設(shè)計的準(zhǔn)確性。纖維的發(fā)揮強(qiáng)度選取3909.1 MPa，纏繞帶距選取2.5 mm，纏繞張力采用起始為30～14 N逐層遞減，設(shè)計完成后纏繞成型φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體并且進(jìn)行爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)網(wǎng)格理論進(jìn)行發(fā)動機(jī)殼體復(fù)合材料層的強(qiáng)度設(shè)計[20]：

(6)

(7)

式中hf1、hf2分別為縱向、環(huán)向復(fù)合材料層厚度；ks為應(yīng)力平衡系數(shù)；α為纏繞角；p為設(shè)計爆破壓強(qiáng)；R為筒體半徑；σf為纖維發(fā)揮強(qiáng)度。

纖維纏繞角根據(jù)以下公式計算：

α=arcsin(r/R)

(8)

式中α為纖維纏繞角；r為極孔半徑；R為筒身段半徑。

纏繞采用螺旋向纏繞加環(huán)向纏繞的方式，并且為了減少纖維在封頭的堆積，提高復(fù)合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)效率，螺旋向纏繞采用逐漸擴(kuò)孔纏繞方式，纏繞極孔半徑約為54、64、79、100 mm時，纏繞角分別為21°、25°、32°、42°，環(huán)向纏繞角為89.8°。纖維紗片寬度取2.5 mm，纏繞單層厚度為0.14 mm。

本文進(jìn)行筒身段強(qiáng)度復(fù)算。

筒身段縱向爆破壓強(qiáng)：

(8)

筒身段環(huán)向爆破壓強(qiáng)：

(9)

應(yīng)力平衡系數(shù)ks=0.8，φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體的強(qiáng)度復(fù)算見表7，最終設(shè)計的縱向強(qiáng)度為37 MPa，環(huán)向強(qiáng)度為38 MPa，取小值為37 MPa。

表7 φ150mm發(fā)動機(jī)殼體爆破強(qiáng)度校核

纏繞成型的φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)，如表8所示，其爆破強(qiáng)度與設(shè)計強(qiáng)度較為接近，經(jīng)過計算其容積特征系數(shù)(pV/W)高達(dá)43.6 km，纖維強(qiáng)度發(fā)揮率高達(dá)75.2%，從一定程度上達(dá)到并且接近進(jìn)口T700炭纖維的水平，隨著表面上漿劑、纖維工藝性及拉伸強(qiáng)度的進(jìn)一步優(yōu)化，相信在性能上還有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。

表8 國產(chǎn)T700炭纖維φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體的爆破強(qiáng)度

φ150 mm殼體的爆破模式如圖7所示，2個殼體均在筒身段位置出現(xiàn)破壞，爆破瞬間沖擊能量較大，殼體破壞較為徹底，為典型的發(fā)動機(jī)殼體的爆破模式。表明采用國產(chǎn)T700-6K炭纖維優(yōu)化的工藝參數(shù)設(shè)計及制備的φ150 mm殼體可充分發(fā)揮炭纖維的強(qiáng)度，制備的殼體具有較高的結(jié)構(gòu)效率。

3 結(jié)論

本文采用國產(chǎn)T700炭纖維，開展了復(fù)合材料殼體纏繞成型張力、纏繞帶距及纖維發(fā)揮強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計及工藝優(yōu)化試驗(yàn)，用于指導(dǎo)高結(jié)構(gòu)效率國產(chǎn)T700炭纖維發(fā)動機(jī)殼體的制備，主要結(jié)論如下：

(1) 纏繞張力對復(fù)合材料拉伸性能影響較大，采用遞減的張力制度有利于提高纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率。本文選取的國產(chǎn)T700-6K起始張力30 N，逐層遞減0.5 N的張力制度復(fù)合材料性能最優(yōu)；

(2) 纏繞成型帶距會影響纖維在纏繞過程中的搭接，搭界過多或者閃縫均會造成局部應(yīng)力集中，影響復(fù)合材料最終力學(xué)性能，本文選取的國產(chǎn)T700-6K在纏繞帶距為2.5 mm時性能最優(yōu)。

(a)1#殼體

(b) 2#殼體

(3) 采用網(wǎng)格理論，應(yīng)用設(shè)計優(yōu)化的最終參數(shù)進(jìn)行φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體的強(qiáng)度設(shè)計與纏繞成型制備，最后進(jìn)行爆破試驗(yàn)，其爆破強(qiáng)度接近設(shè)計值，容積特征系數(shù)高達(dá)43.6 km，具有較高的結(jié)構(gòu)效率。

以上結(jié)果表明通過國產(chǎn)T700炭纖維復(fù)合材料的纏繞工藝參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化可用于指導(dǎo)φ150 mm發(fā)動機(jī)殼體的纏繞成型，提高結(jié)構(gòu)件的承壓效率，可推動國產(chǎn)T700炭纖維在發(fā)動機(jī)殼體等高壓容器上的應(yīng)用。后續(xù)隨著國產(chǎn)T700炭纖維表面上漿劑、纖維工藝性及拉伸強(qiáng)度的進(jìn)一步優(yōu)化，相信在性能上還有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間，并且本論文采用的為T700-6K的炭纖維成型效率較低，隨著國產(chǎn)大絲束炭纖維的研制突破，相信在未來生產(chǎn)效率上會有較大的提升空間。