提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法与流程

1.本发明涉及复合材料制品绝热层成型技术领域，具体地指一种提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法。


背景技术：

2.近几年来中国的商业航天发展迅速，相较于液体发动机，技术难度相对较低的大型固体发动机成为了商业航天的首要选择。而随着复合材料的兴起，大型固体发动机壳体采用的钢、铝合金或钛合金等传统材料正在被具有更高比强度和比刚度的复合材料逐渐替代，尤其是纤维缠绕复合材料。
3.复合材料发动机壳体的制作工艺如下：首先在芯模结构的外层贴片绝热层，再在绝热层的外层设置纤维缠绕复合材料作为发动机壳体，然后抽掉芯模结构，装载推进剂。绝热层是置于推进剂与发动机壳体之间的保护层，其主要功用是保护发动机壳体免受推进剂燃烧时高温燃气的冲刷，使得发动机能够正常工作。而芯模结构的质量会直接影响绝热层的表观质量。
4.大长径比纤维缠绕壳体的芯模结构一般采用石膏芯模，即采用钢制骨架作为承力结构，在钢制骨架表面涂覆石膏层，再对石膏进行加工满足尺寸要求。石膏由于需满足承受缠绕压力的因素，本身需具备较大的抗压强度，强度过大时难免会导致韧性变差，容易脆裂。
5.绝热层是一层柔性材料，若芯模石膏表面出现缺陷，势必会影响绝热层的表观质量，主要体现为绝热层表面褶皱、凹坑、凸起等，导致绝热层厚度偏薄。绝热层若出现局部偏薄缺陷，将会严重影响整个纤维缠绕复合材料发动机壳体-绝热层-推进剂结构的完整性，在发动机工作过程中局部过热或被燃烧产物冲刷，使燃烧室壳体发生瞬间失强、穿火等而爆炸解体，导致发动机试车或飞行试验失败。
6.石膏芯模由于本身性质的问题，石膏表面裂纹难以根除，若正常使用石膏或腻子进行修补，虽可以保证其平整及抗压强度，但是由于壳体固化过程中不同材质热膨胀系数不同，会对处于流动状态的绝热层造成挤压，从而对绝热层表层造成凹坑褶皱等缺陷。
7.现有技术中针对绝热层表层出现的局部褶皱、凹坑、凸起等缺陷，一般采用在绝热层表层直接修复。绝热层表层直接修复的方法，一方面对人工技能水平要求非常高；另一方面修补过程中会出现界面粘接，界面处理不好会导致修补失效。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是要提供一种提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法，通过对石膏芯模表面裂纹的一系列处理，能够从根本上预防绝热层表层出现的局部褶皱、凹坑、凸起等缺陷，较大提升产品质量。
9.为实现上述目的，本发明研制出了一种提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
10.步骤1)，石膏芯模旋转：旋转制作大长径比纤维缠绕壳体的石膏芯模，释放骨架应力，充分暴露石膏表面的裂纹；
11.步骤2)，裂纹打磨：对产生的裂纹进行打磨，使其能够进行后续处理；
12.步骤3)，裂纹确认和填充修补：确认裂纹宽度和深度，并针对不同的裂纹宽度或深度，采取不同的填充、修补方法；
13.步骤4)，修整：对填充材料进行修整；
14.步骤5)，隔离：在修补裂纹的外表面缠绕或粘贴脱模布；
15.步骤6)，绝热层贴片：在脱模布外层覆盖绝热层；
16.步骤7)，缠绕纤维复合材料壳体：在绝热层外层缠绕纤维复合材料，形成石膏芯模-脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构；
17.步骤8)，抽掉石膏芯模：从石膏芯模-脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构中，将石膏芯模抽掉，即可形成脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构。
18.步骤9)，脱掉脱模布：从脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构中，将脱模布脱掉，即可形成高表观质量的绝热层-纤维复合材料的壳体结构。
19.进一步地，步骤1)中，所述旋转速度大于10r/min，且旋转过程中需进行变速度旋转。
20.进一步地，步骤2)中，所述裂纹打磨的过程中，对裂纹宽度不大于2mm裂纹，使用打磨工具开出1.8～2mm宽度的u型槽，对裂纹宽度超过2mm的裂纹，仅对裂纹型面打磨圆滑即可。
21.进一步地，步骤2)中，所述裂纹打磨的过程中，对于裂纹底部松动的小石膏块需逐渐打磨至其完全松动后取出，不可故意将其撬掉。
22.进一步地，步骤3)中，确认裂纹的宽度不大于2mm时，仅使用柔性材料填充修补；确认裂纹的宽度大于2mm且不大于10mm时，使用柔性材料填充后，再在柔性材料表面覆盖一层刚性材料；确认裂纹的宽度大于10mm或深度大于10mm时，先用腻子将裂纹底部填充，再使用柔性材料填充，最后在柔性材料表面覆盖一层刚性材料。
23.更进一步地，确认裂纹的宽度大于10mm或深度大于10mm时，用腻子将裂纹底部填充后保留2～5mm深度，待腻子固化后，再使用柔性材料进行填充。
24.更进一步地，所述柔性材料为三元乙丙或硅橡胶。
25.更进一步地，所述刚性材料为钢箔，且钢箔厚度为0.05～0.3mm，宽度为10～30mm。
26.更进一步地，步骤4)中，所述修整方式为：使用刀片将填充的、且高于石膏芯模表面的柔性材料削去，使消去后的柔性材料表面比芯模表面略低0.5～1mm。
27.进一步地，所述大长径比指的是：纤维缠绕壳体的长度与直径之比至少为3。
28.本发明的优点在于：
29.1、本方法通过对石膏芯模表面的裂纹进行一系列处理，避免石膏芯模表面的裂纹对壳体绝热层的表观质量造成影响，从而保证了绝热层的可靠性；
30.2、本方法应用灵活，可满足石膏芯模表面的各种裂纹的处理；
31.3、本方法操作简单，对工人技能水平要求低，
32.本发明提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法操作简单，通过对石膏芯模表面裂纹的一系列处理，能够从根本上预防绝热层表层出现的局部褶皱、凹坑、凸起
等缺陷，较大提升产品质量。
附图说明
33.图1是石膏芯模表面的常见裂纹情况示意图；
34.图2是采用本发明对图1中的常见裂纹进行打磨处理示意图；
35.图3是采用本发明对图1中的常见裂纹修补后的示意图；
36.图中：
37.石膏1、普通裂纹2、掉块裂纹3、台阶裂纹4、柔性材料5、腻子6、刚性材料7、脱模布8、普通裂纹2宽度a、裂纹3宽度b1、裂纹3宽度b2、台阶裂纹4宽度c、裂纹深度h。
38.实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
41.某型号固体火箭发动机壳体为纤维缠绕复合材料壳体，长径比(壳体长度：直径)达到了5.3，采用石膏芯模成型，由于芯模挠度原因，导致芯模在骨架对接位置有整圈裂纹，简单使用石膏腻子修补后经过旋转还会脱落，对绝热层质量造成较大风险。本发明提高大长径比纤维缠绕壳体内绝热层表观质量的方法，包括如下步骤：
42.步骤1)，石膏芯模旋转：旋转制作长径比为5.3的纤维缠绕壳体的石膏芯模，释放骨架应力，充分暴露石膏1表面的裂纹；
43.步骤2)，裂纹打磨：对产生的裂纹进行打磨，使其能够进行后续处理；
44.步骤3)，裂纹确认和填充修补：确认裂纹宽度和深度，并针对不同的裂纹宽度或深度，采取不同的填充、修补方法；
45.步骤4)，修整：对填充材料进行修整；
46.步骤5)，隔离：在修补裂纹的外表面缠绕或粘贴脱模布8；
47.步骤6)，绝热层贴片：在脱模布8外层覆盖绝热层；
48.步骤7)，缠绕纤维复合材料壳体：在绝热层外层缠绕纤维复合材料，形成石膏芯模-脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构；
49.步骤8)，抽掉石膏芯模：从石膏芯模-脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构中，将石膏芯模抽掉，即可形成脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构。
50.步骤9)，脱掉脱模布8：从脱模布-绝热层-纤维复合材料的壳体结构中，将脱模布8脱掉，即可形成高表观质量的绝热层-纤维复合材料的壳体结构。
51.上述步骤1)中，所述旋转速度大于10r/min，且旋转过程中需进行变速度旋转。
52.具体地，将石膏芯模装夹在缠绕机上，使用10r/min-15r/min-10r/min变换速率旋转的方式，将芯模空转30min。如图1所示，石膏1表面的常见裂纹有：普通裂纹2、掉块裂纹3、
台阶裂纹4。一般来说，普通裂纹2宽度a不大于2mm，台阶裂纹4宽度c不大于2mm，掉块裂纹3里面由于含有小块松动的小石膏块，小石膏块去除后，掉块裂纹3宽度b1或b2往往大于2mm。
53.上述步骤2)中，所述裂纹打磨的过程中，对裂纹宽度不大于2mm裂纹，使用打磨工具开出2mm左右的u型槽，对裂纹宽度超过2mm的裂纹，仅对裂纹型面打磨圆滑即可。
54.上述步骤2)中，所述裂纹打磨的过程中，对于裂纹底部松动的小石膏块需逐渐打磨至其完全松动后取出，不可故意将其撬掉。
55.具体地，对掉块裂纹3进行打磨时，采用80目砂纸对裂纹处翘起石膏或腻子进行打磨，小石膏块如有松动，用砂纸将其擦出，不可故意将其撬掉，应逐渐打磨至完全松动后取下。对于较为规整且无掉渣普通裂纹2，使用砂纸或电动工具对打磨后裂纹进行开槽，表面开槽呈u字形，深度控制在2mm左右，打磨要求凹坑内无松动，裂纹处两边打磨圆滑。如果普通裂纹2宽度a和深度h均大于2mm且小于10mm，则保证底部无松动，整体圆滑过度即可。对于台阶裂纹4，使用砂纸将高出部分的台阶打磨掉，并保证裂纹处两边圆滑过度。如图1和2所示，石膏芯模裂纹打磨前后对比图，松动的小石膏块被取出，且坑底被打磨圆滑。
56.上述步骤3)中，确认裂纹的宽度不大于2mm时，仅使用柔性材料5填充修补；确认裂纹的宽度大于2mm且不大于10mm时，使用柔性材料5填充后，再在柔性材料5表面覆盖一层刚性材料7；确认裂纹的宽度大于10mm或深度大于10mm时，先用腻子6将裂纹底部填充，再使用柔性材料5填充，最后在柔性材料5表面覆盖一层刚性材料7。
57.具体地，对于打磨后的普通裂纹2，如果打磨后的裂纹宽度a在2mm左右时，仅使用柔性材料5填充修补。对于打磨后的台阶裂纹4，如果打磨后的裂纹宽度c在2mm左右时，仅使用柔性材料5填充修补。对于打磨后的掉块裂纹3，如果打磨后的裂纹宽度b2大于2mm且不大于10mm时，先使用柔性材料5填充后，再在柔性材料5表面覆盖一层刚性材料7；如果打磨后的裂纹宽度b1大于10mm或深度h大于10mm时，先用腻子6将裂纹底部填充，使填充后保留4mm深度，待腻子6固化后，再使用柔性材料5填充，最后在柔性材料5表面覆盖一层刚性材料7。
58.上述柔性材料5为三元乙丙或硅橡胶。上述刚性材料7为钢箔，且钢箔厚度为0.2mm，宽度为30mm。钢箔7的厚度随着裂缝宽度的增大而增大。
59.具体地，采用柔性材料5填充的方法如下：选择与壳体绝热层相同厂家的三元乙丙进行修补，先将裂缝清理干净，去除浮尘，然后在裂缝表面满刷与三元乙丙配套的胶粘剂，再将三元乙丙裁剪成条状塞在裂缝里，堆出高度比芯模表面高3mm，最后使用电熨斗对裂缝处三元乙丙进行按压加热，加热温度大于150℃，直至三元乙丙发生流动，充满整个缝隙。
60.另外，还需要对填充的柔性材料5进行修整，即使用刀片将填充的、且高于石膏芯模表面的柔性材料5削去，使消去后的柔性材料5表面比芯模表面略低0.6mm。
61.如图3所示，根据裂纹打磨后的宽度和深度采用不同的处理方法，对于宽度较小的普通裂纹2和台阶裂纹4，仅用柔性材料5填充，随着宽度的增加，分别在裂纹表面额外增加刚性材料7支撑，在裂纹底部使用腻子6填补。
62.上述步骤5)中，所述脱模布8为聚四氟乙烯玻纤胶带。上述大长径比指的是：纤维缠绕壳体的长度与直径之比至少为3。
63.裂纹表层修补完之后在裂纹表层粘贴一层聚四氟乙烯玻纤胶带，然后在聚四氟乙烯玻纤胶带上表面正常覆盖绝热层，接着在绝热层外表面缠绕纤维复合材料，形成石膏芯模-聚四氟乙烯玻纤胶带-绝热层-纤维复合材料的壳体结构，
64.最后取下长径比为5.3的石膏芯模，脱掉聚四氟乙烯玻纤胶带，得到表观质量提升较为明显的绝热层-纤维复合材料的壳体结构。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。