整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段制造技術研究

熊文琪 孫正 張同表 王堯堯 郭子桐

摘要：擴張段作為固體火箭發(fā)動機上的重要零部件，需要具備優(yōu)異的抗燒蝕沖刷和綜合力學性能。本文設計整體式擴張段幾何尺寸，基于針刺縫合工藝制備一體化擴張段預制體，采用真空輔助灌注RTM工藝和高壓RTM工藝注入酚醛樹脂浸潤預制體，階梯升溫固化得到整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段，為低成本、高效率批量制備整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段積累經驗。

關鍵詞：擴張段；酚醛樹脂；RTM；復合材料；制造技術

噴管作為固體火箭發(fā)動機重要構件，是一種將熱能轉化為動能的裝置［1］。其主要由背襯、喉襯和擴張段組成，其中擴張段將通過喉襯的高溫高壓高速燃氣膨脹并加速，實現(xiàn)火箭更大的推力和能量轉換效率，這要求擴張段具備優(yōu)異的抗燒蝕、抗隔熱、抗沖刷和綜合力學性能［2–7］。

目前擴張段常用的耐燒蝕防熱材料有兩類，一類是碳/碳（C/C）復合材料，另一類是酚醛樹脂基復合材料。相比碳/碳復合材料，酚醛樹脂基復合材料屬于一次性的熱防護材料，在高溫高壓燃氣沖刷下，酚醛樹脂基體發(fā)生熱解、氣化、碳化等物理化學變化，酚醛樹脂熱裂解形成的碳化層具有隔熱的功能。酚醛樹脂具有隔熱效果優(yōu)秀、導熱率低、抗燒蝕性能良好和價格低廉的優(yōu)勢，目前在航空航天和國防軍事領域應用廣泛［8］。歐洲某重型運載火箭的噴管大部分均勻采用碳布酚醛樹脂復合材料；法國某火箭的一級固體發(fā)動機P80擴張段采用的是碳/酚醛針刺復合材料［9］；美國某火箭喉襯背壁、民兵導彈的二級噴管擴散段由高硅氧/酚醛樹脂復合材料制成［10］。

傳統(tǒng)的擴張段一般采用預浸布帶纏繞成型工藝制備碳/酚醛樹脂基和高硅氧/酚醛樹脂基復合材料，該制備工藝技術成熟，但預制體是二維層間結構，厚度方向上的強度主要靠樹脂間的黏結力，因此層間剪切強度和斷裂韌性較低［11］。為解決傳統(tǒng)擴張段制備二維結構預制體低效率、層間性能不穩(wěn)定的問題，目前國內外已出現(xiàn)纏繞/針刺、三維編織和纏繞/縫合等擴張段三維結構預制體的制備技術［12］，提高了擴張段的抗燒蝕沖刷性能和綜合力學性能的提高。針刺工藝技術簡單、自動化程度較高、成本低，相比傳統(tǒng)二維預制體，層間結構得到提高。但其第三維度方向上的纖維含量較少，且纖維貫穿針刺單元層數(shù)受針刺深度限制，導致針刺預制體厚度方向上的層間力學性能較低?？p合工藝制備的預制體，未縫合區(qū)域和縫合區(qū)域不能實現(xiàn)有效連接，材料整體層間性能不均勻［13］。本文采取針刺縫合工藝制備整體式擴張段預制體，利用真空輔助RTM工藝注射酚醛樹脂實現(xiàn)整體式復合材料擴張段的制備，從結構設計、預制體制備、RTM成型復合材料方面對整體式復合材料擴張段的設計和制備進行介紹。

1整體式復合材料擴張段結構設計

整體式復合材料擴張段由擴張段預制體進行固化得到，因此擴張段預制體的結構形狀直接影響整體式復合材料擴張段的結構。傳統(tǒng)擴張段將背襯（高硅氧/酚醛）、擴張段（碳/酚醛）和噴管殼體（不銹鋼）分開制造后裝配為一體的工藝［14］，需要考慮配合精度，對各零件成形精度要求較高，且存在結構間隙易產生熱防護結構失效、應力過大材料產生破壞等故障現(xiàn)象。

本文采用不同材料分區(qū)制造預制體，并采用縫合工藝進行各區(qū)域間的連接，最終將預制體固化得到整體式復合材料擴張段，從而降低裝配難度，提高噴管整體性，減少因結構間隙而產生的故障發(fā)生概率。整體式復合材料擴張段的幾何模型見圖1。

2預制體的制備

2.1原材料

預制體采用分區(qū)制備，由高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域組成。高硅氧區(qū)域由厚0.5mm，面密度為290±10g/m2的高硅氧纖維布和85Tex短纖維，面密度為65±5g/m2的高硅氧纖維針刺氈疊層針刺的單元層組成。碳纖維區(qū)域由面密度為200g/m2的3K碳纖維平紋布和面密度80g/m2碳纖維網(wǎng)胎疊層針刺的單元層組成?？p合線采用T3003K，線密度200tex，拉伸強度4200MPa的碳纖維線。

2.2成形工藝

高硅氧單元層由一層高硅氧纖維布和一層高硅氧纖維針刺氈組成。碳纖維單元層由一層碳布和一層網(wǎng)胎組成。單元層鋪層方向均平行于擴張段軸線。若單元層鋪層方向平行于擴張段內側錐面，在高溫高壓燃氣沖刷下，內表面抗燒蝕性能降低。每層單元層均針刺一遍，針刺密度20～30針/cm2，針刺深度為10～15mm。每10層單元層進行一次縫合，縫合密度為30mm×30mm。

選取和擴張段預制體內部尺寸匹配的木質芯模，放置在針刺設備上。剪裁每層合適尺寸的基布和網(wǎng)胎，疊層鋪放在芯模上，從碳纖維區(qū)域近軸線端開始，與擴張段預制體軸線平行方向鋪放單元層并針刺。當預制體厚度達到與高硅氧區(qū)域底部齊平時，交替鋪層高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域，保持兩區(qū)域頂端齊平。在兩區(qū)域連接處利用縫合工藝加強兩區(qū)域間的連接強度。當碳纖維區(qū)域距離預制體幾何模型中段頂端的厚度等于擴張段預制體尾段平行錐面段的厚度時，裁剪可以同時鋪放擴張段預制體與軸線平行的中段和平行錐面的尾端的布塊，中段單元層與預制體軸線平行，尾端單元層與錐面平行，交替鋪放高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域。當高硅氧區(qū)域達到指定厚度后，繼續(xù)鋪放剩余碳纖維區(qū)域，直到預制體尾端平行錐面段達到指定厚度。繼續(xù)鋪放單元層直至碳纖維區(qū)域中的法蘭部分制作完成。將預制體從木質芯模上取下得到最終的針刺縫合一體化擴張段預制體。擴張段預制體制備工藝流程圖見圖2。

3復合材料擴張段的制備

3.1工藝選取

復合材料的成型工藝種類眾多，其中樹脂基復合材料常用成型工藝有手糊成型、模壓成型、噴射成型、注射成型、RTM成型等［15］。其中樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝是一種低成本的復合材料液體封閉成型技術，基本原理是：在一定溫度和壓力下將混合的樹脂體系注入密閉模腔內，浸潤纖維或織物等增強材料，再放置在一定溫度下進行固化成型，脫模后得到復合材料制件。RTM工藝可降低復合材料成型時間和加工成本，可成型復雜大面積的構件，成型復合材料表面質量好且精度較高，全過程可降低對身體和環(huán)境的傷害，安全且環(huán)保，適用于大規(guī)模生產［16］。但傳統(tǒng)的RTM工藝存在高黏度樹脂流動性差、樹脂浸潤增強材料不充分的缺陷，因此本文采用真空輔助灌注RTM和高壓RTM注射先后進行，在真空輔助條件下樹脂由模腔內的負壓被注入，在注入流速過低時啟動RTM注射機，恒速注入樹脂。該工藝有利于樹脂充分浸潤預制體，并避免高速流動樹脂帶動或沖散纖維，使復合材料制品的力學性能大大降低。

3.2模具設計及制造

為提高復合材料制件的成形質量和成形精度，采用金屬作為模具材料進行模具的加工制造。模具內部封閉型腔尺寸與擴張段預制體幾何尺寸相同，考慮預制體放入模具后的模具合模及RTM注射固化成型制件的脫模，在擴張段內表面圓柱面段和錐面段分界面位置分上下芯模，并將兩個側模分為上下兩個部分。設計注膠流道、出膠流道和排氣通道，便于抽真空和RTM注膠，由于酚醛樹脂在升溫固化過程中發(fā)生化學反應會產生大量縮合水、甲醛和氣體小分子等，因此將排氣通道設置在左下模上，用于將縮合水等反應產物排出，從而降低孔隙率提高復合材料制品力學性能。各模體件均采用螺栓進行連接，在合模面采用密封墊和密封條密封以提高模具密封性，保證模具抽真空后可穩(wěn)定保持負壓狀態(tài)，并避免注膠時有樹脂溢出。在左右下模合模面處，配備螺紋孔以擰緊螺栓頂開模具，保證制件成型后順利脫模。RTM模具主體結構示意圖見圖3。

3.3工藝控制

模具設計并制造完成后，首先需要檢查模具氣密性。將模具排氣口關閉，出膠口連接真空泵，進膠口連接真空表。開啟真空泵使模腔內負壓，觀察真空表，待真空表示數(shù)接近-0.1MPa并保持一段時間不變化后，封閉管路保壓一段時間，若期間真空表示數(shù)不變，表示模具密封良好。

整體式擴張段復合材料的RTM成型流程圖見圖4。將模具內外表面清理干凈，無任何附著物。均勻涂抹三次脫模劑，待脫模劑干燥成膜后再涂第二層。將預制體放入模具內，合膜后緊固螺栓。放入烘箱內在注射溫度下加熱一定時間，保證模具內外溫度、預制體溫度和注射溫度一致。將酚醛樹脂加熱至注射溫度后，攪拌并抽真空，使樹脂受熱反應產生的縮合水、氣體小分子等排出。將注膠口連接RTM注射機，出膠口連接真空泵，排氣口連接大氣。關閉注膠通道和排氣通道，開啟出膠通道和真空泵，將模具型腔內空氣排出，維持真空度不變。酚醛樹脂灌注預制體的步驟如下：

（1）打開注膠通道，在模腔負壓作用下樹脂快速流動至模腔，當樹脂流速過慢時，打開RTM注射機齒輪泵，恒低速注入樹脂，注意注膠壓力控制在2MPa以內。根據(jù)注膠壓力的變化，調節(jié)注膠流速。

（2）當出膠口連接的樹脂收集器內出現(xiàn)樹脂，將出膠口開閉一段時間，排出模腔內氣泡。關閉RTM注射機和真空泵，封閉注膠通道和出膠通道，開始升溫固化。

（3）升溫固化采用階梯升溫固化，在低溫階段保溫一段時間后，短暫開閉排氣通道；然后升溫至中溫階段保溫一段時間后，短暫開閉排氣通道；再升溫到高溫階段，保溫固化，間隔一段時間短暫開閉排氣通道。最后，自然冷卻至室溫，脫模。

在升溫固化過程中，由于金屬模具壁厚較大，溫度傳遞至模具內部時間較長，階梯升溫過程中保溫時間應適當延長，保證模具內外溫度和產品溫度的一致性。

在完成上述工序后，將得到的復合材料制品加工打磨。并對模具進行處理，保證下次使用時模具完好。完成上述所有工序后，得到整體式復合材料擴張段。經稱重，整體式復合材料擴張段的纖維體積分數(shù)為48%。

結語

本文設計了一種整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段，基于針刺縫合工藝，鋪層分區(qū)制造高硅氧區(qū)域和碳纖維區(qū)域，得到一體化擴張段預制體，設計適用的金屬模具，先后采用真空輔助灌注RTM成型和高壓RTM成型工藝將酚醛樹脂注入模具型腔，充分浸潤擴張段預制體，階梯升溫控制固化參數(shù)得到整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段。通過實驗初步形成可行、經濟、安全環(huán)保的整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段制造工藝，確定了低成本、高效率、可批量生產、高性能的整體式酚醛樹脂基復合材料擴張段制備流程。

參考文獻：

［1］楊大望，張猛，段佳倩，等.某型噴管擴張段長度對性能的影響研究［C］//第六屆空天動力聯(lián)合會議暨中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第四十二屆技術交流會暨2021航空發(fā)動機技術發(fā)展高層論壇論文集（第二冊）.中國科協(xié)航空發(fā)動機產學聯(lián)合體，2022：432437.

［2］梁瑜，郭亞林，張祎.固體火箭發(fā)動機噴管用樹脂基燒蝕防熱材料研究進展［J］.宇航材料工藝，2017，47（2）：14+13.

［3］JiangP，WangZ，LiuH，etal.FabricationandcharacterizationofpyrolyticcarbonsfromphenolicresinreinforcedbySiCnanowireswithchainbeadstructures［J］.CERAMICSINTERNATIONAL，2022，48（10）：1449114498.

［4］ZhouS，WangF，WangS，etal.FacileinsitupreparationofCu/RGOnanohybridforenhancingthetribologicalperformanceofphenolicresinsnanocomposites［J］.ADVANCEDCOMPOSITESANDHYBRIDMATERIALS，2022，5（2）：12801293.

［5］JiangP，WangZ，LiuH，etal.ImprovingthestrengthandoxidationresistanceofphenolicresinderivedpyrolyticcarbonsviaCucatalyzedinsituformationofSiC@SiO2［J］.SOLIDSTATESCIENCES，2021，118.

［6］YuanFY，ZhangHB，LiX，etal.Insituchemicalreductionandfunctionalizationofgrapheneoxideforelectricallyconductivephenolformaldehydecomposites［J］.CARBON，2014，68：653661.

［7］RastegarH，BavandvandchaliM，NematiA，etal.PhaseandmicrostructuralevolutionoflowcarbonMgOCrefractorieswithadditionofFecatalyzedphenolicresin［J］.CERAMICSINTERNATIONAL，2019，45（3）：33903406.

［8］田謀鋒.高殘?zhí)糝TM酚醛樹脂的研制［D］.北京理工大學，2016.

［9］BouryD，BouvierF，ChevrollierA.C2bRayonSourceRequalificationforCarbonPhenolicNozzleInsulators［C］.2011.

［10］王一明.高密度高硅氧/酚醛復合材料的熱力性能表征及燒蝕模擬［D］.哈爾濱工業(yè)大學，2021.

［11］石定杜，甘長茂.RTM制造技術的新進展［J］.玻璃鋼/復合材料，1994（6）：4042+45.

［12］馬秀萍.燒蝕防熱復合材料壓力輔助RTM成型技術［D］.航天動力技術研究院，2019.

［13］魏玉瑩.針刺/簇絨耦合增強復合材料設計制備與表征評價［D］.天津工業(yè)大學，2022.

［14］白濤濤，孫振華.某固體火箭發(fā)動機噴管傳熱燒蝕數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導學報，2022，42（4）：119124.

［15］朱怡臻，王瑛，陳鳴亮，等.先進樹脂基復合材料RTM成型工藝研究及應用進展［J］.塑料工業(yè)，2020，48（5）：1822+128.

［16］魏波，周金堂，姚正軍，等.RTM及其派生工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與應用前景［J］.廣州化學，2018，43（4）：6875.

作者簡介：熊文琪（2001—），男，漢族，江西九江人，碩士研究生在讀，研究方向：機械電子。

*通訊作者：孫正。