曾艷明，王海云，王 敏，王宇紅，謝 歡，姚春臣

(江南工業(yè)集團有限公司 工藝技術(shù)研究所，湖南 湘潭 411207)

摘 要：為了提高固體火箭發(fā)動機襯管耐高溫、耐沖刷的能力，解決發(fā)動機殼體燒蝕問題，對其復合材料襯管進行了熱壓罐成型工藝研究。優(yōu)化其預浸料制備、纏繞預成型和熱壓罐固化成型等工藝過程及工藝參數(shù)，并對生產(chǎn)的襯管進行材料物理性能和力學性能檢測，對裝配發(fā)動機進行發(fā)動機使用性能的考核試驗。試驗結(jié)果表明，按熱壓罐成型工藝生產(chǎn)的復合材料襯管完全能夠滿足其材料性能要求和發(fā)動機的使用性能及質(zhì)量要求，圓滿解決了發(fā)動機耐燒蝕的關(guān)鍵技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：復合材料；固體火箭發(fā)動機；襯管；熱壓罐成型

襯管是一種固體火箭發(fā)動機中的重要部件。固體火箭發(fā)動機內(nèi)推進劑燃燒的火焰溫度依其推進劑的不同而有所不同。常用固體推進劑燃燒的火焰溫度一般高達2 260～3 600 ℃[1]。襯管作為發(fā)動機的燃氣流通道，需承受推進劑燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓和高速燃氣的燒蝕及沖刷，工作條件非常惡劣；所以，襯管應(yīng)具有良好的耐高溫、抗瞬時燒蝕和抗沖刷能力，同時還應(yīng)具有優(yōu)良的隔熱效果，以防止由于燃氣流通道內(nèi)的熱量過快傳遞到發(fā)動機外殼而發(fā)生發(fā)動機殼體燒穿事故，導致產(chǎn)品失效。

某火箭發(fā)動機在試制中出現(xiàn)了殼體燒穿的問題，失效分析發(fā)現(xiàn)其原因為襯管抗燃氣沖刷燒蝕和對殼體的保護能力不足。為了解決發(fā)動機耐燒蝕技術(shù)關(guān)鍵問題，開展了改進襯管材料和制造工藝的研究工作。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

襯管結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了確保發(fā)動機工作的可靠性，杜絕燒穿事故，襯管內(nèi)層選用了熔點高、抗燒蝕和抗沖刷性能好的聚丙烯腈基碳纖維布復合材料[2]作為襯管的耐燒蝕層，起抗高溫氣流的沖刷及燒蝕的作用；外層選用熱導率低的高硅氧纖維布復合材料，作為襯管的隔熱層，阻止襯管內(nèi)的高溫迅速傳導到外殼。樹脂體系均選用燒蝕材料用氨酚醛樹脂。

圖1 襯管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工藝方案

目前，耐燒蝕隔熱復合材料筒形件的成型工藝主要有2種：1)傳統(tǒng)的模壓成型；2)較先進的熱壓罐成型。

模壓成型是先用預浸料纏繞成襯管形狀后，再將纏繞坯件放入模具(見圖2)中加熱、加壓固化。由于模具在合模加壓時，產(chǎn)品在模具分模面處受壓較小，導致產(chǎn)品飛邊較厚，在分模面處出現(xiàn)皺褶(見圖3)，最終產(chǎn)品形狀不規(guī)則，性能不均勻，特別是在分模面處由于隔熱層較薄，襯管的隔熱效果達不到要求。

圖2 襯管模壓模具示意圖

圖3 模壓成型襯管截面

熱壓罐成型則是將預浸料纏繞成襯管坯件后放入真空袋內(nèi)，在對真空袋抽真空的同時利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體對袋內(nèi)襯管坯件進行加熱、加壓，使襯管固化成型。由于熱壓罐內(nèi)溫度、壓力均勻一致，其成型的襯管形狀規(guī)則、質(zhì)量穩(wěn)定、力學性能穩(wěn)定可靠，且隨著熱壓罐成型工藝輔材的國產(chǎn)化，工藝成本的不斷降低，熱壓罐成型已成為發(fā)動機襯管的理想成型方法。

經(jīng)過對上述2種工藝方法的對比分析，本試驗確定采用熱壓罐成型的工藝方法。

2 通過試驗改進的工藝

在試驗方案的實施過程中，根據(jù)試驗件的材料性能和在發(fā)動機中運行試驗的效果，對其工藝流程和工藝參數(shù)進行了優(yōu)選和改進。

2.1 工藝流程

改進后的工藝流程如圖4所示。

圖4 襯管熱壓罐成型工藝流程圖

2.2 工藝參數(shù)

2.2.1 預浸料的制備

制備預浸料是用氨酚醛樹脂浸漬纖維布的過程。在預浸料制備前，對纖維布進行烘布處理，以去除纖維表面的水分和部分上漿劑，提高纖維布的浸潤性。同時，為保證預浸料的質(zhì)量穩(wěn)定性，樹脂與布的配比、樹脂黏度等參數(shù)也需控制。預浸料的主要指標見表1。

表1 預浸料主要性能指標 (%)

揮發(fā)分含量樹脂含量可溶性樹脂含量碳纖維布/酚醛6.5137.2590.47高硅氧纖維布/酚醛6.9938.6692.15

預浸料的質(zhì)量決定著襯管的性能，若揮發(fā)分含量太高，產(chǎn)品的孔隙率高，襯管力學性能降低；反之，則預浸料偏干，不利于纏繞。若樹脂含量太高，襯管容易出現(xiàn)樹脂聚積；反之，則容易出現(xiàn)分層、缺膠等問題?？扇苄詷渲暮縿t直接影響樹脂的流動性，對襯管性能也有較大的影響。

2.2.2 纏繞預成型

纏繞預成型是將預浸料裁剪成一定寬度后，再將2種預浸帶均勻纏繞到芯模上，纏繞過程中主要控制的工藝參數(shù)包括纏繞溫度、纏繞張力[3]。在纏繞前，對芯模進行預熱，預熱溫度控制在約80 ℃，便于預浸膠布帶軟化，同時使膠布帶中的樹脂具有一定的流動性，以利于膠布帶之間的粘接。纏繞張力控制在300 N，使纏繞布層之間結(jié)合更緊密，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更致密，增強制品的力學性能。

2.2.3 熱壓罐固化成型

襯管經(jīng)纏繞預成型后放入真空袋內(nèi)密封，抽真空并放入熱壓罐內(nèi)，升溫、加壓固化成型。在固化成型過程中，主要發(fā)生樹脂流動、熱傳遞、預壓實和樹脂固化等物理和化學過程，因此壓力和溫度是熱壓罐成型工藝主要控制的工藝參數(shù)。由于氨酚醛樹脂的固化特性(90～110 ℃為粘流階段[4]，且固化過程中有水蒸氣等小分子揮發(fā)物)，加壓時溫度選在100～110 ℃，成型壓力≥1.5 MPa。熱壓罐固化的溫度、壓力和真空度曲線分別如圖5～圖7所示。

圖5 熱壓罐固化溫度曲線

圖6 熱壓罐固化壓力曲線

圖7 熱壓罐固化真空度曲線

在熱壓罐固化襯管的過程中，升溫速率、加壓時機的把握以及成型壓力的大小都非常重要，直接影響產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量。若升溫過快，產(chǎn)品內(nèi)外溫差過大，容易出現(xiàn)聚膠等缺陷；反之，則影響生產(chǎn)效率。若加壓過早，產(chǎn)品容易出現(xiàn)分層、膠含量不足和內(nèi)表面不光滑等缺陷；反之，產(chǎn)品則容易出現(xiàn)聚膠。若成型壓力太小，酚醛樹脂固化產(chǎn)生的小分子揮發(fā)物無法排除，在襯管內(nèi)部形成孔隙及氣泡，產(chǎn)品不夠致密；反之，則樹脂擠出過多，容易出現(xiàn)分層、缺膠等缺陷。

3 質(zhì)量考核及改進效果

為考核工藝改進后生產(chǎn)的襯管性能，對制品進行了力學性能和物理性能試驗，其結(jié)果見表2。

表2 襯管的力學性能和物理性能

項目碳纖維布/酚醛實測值指標值高硅氧纖維布/酚醛實測值指標值拉伸強度/MPa157≥2935.1≥25壓縮強度/MPa94.1≥5552.9≥50剪切強度/MPa16.2≥1427.3≥14密度/g·cm-31.44≥1.381.65≥1.64氧乙炔燒蝕率/mm·s-10.039≤0.100.128≤0.15線膨脹系數(shù)(室溫～50℃)×10-6/℃-12.7≤59.9≤12

經(jīng)各項技術(shù)指標的考核試驗證實，熱壓罐工藝參數(shù)生產(chǎn)襯管的力學性能和物理性能完全能夠滿足有關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品圖及驗收規(guī)范的要求。碳纖維布/酚醛的性能明顯優(yōu)于其技術(shù)指標要求。

將襯管裝配于發(fā)動機進行靜止點火試驗。發(fā)動機工作完成后，襯管內(nèi)表面燒蝕情況如圖8和圖9所示。其碳布層燒蝕約2 mm，內(nèi)表面燒蝕平整均勻，未見溝槽及鼓泡，外層高硅氧布層完整，制品完全滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖8 襯管點火后內(nèi)表面情況

圖9 襯管點火后截面情況

4 結(jié)語

通過對復合材料襯管熱壓罐成型工藝的研究及成型襯管性能的試驗分析，可以得出如下結(jié)論。

1)在熱壓罐成型工藝中，預浸料的質(zhì)量、纏繞坯料的密實度以及熱壓罐固化參數(shù)的選擇對產(chǎn)品的質(zhì)量都有明顯影響，合理地選擇工藝參數(shù)能減少產(chǎn)品內(nèi)部缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2)按改進后的熱壓罐成型工藝生產(chǎn)的襯管的力學性能、物理性能均能滿足有關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量要求，其耐高溫燒蝕、抗燃氣沖刷和隔熱性能均能滿足其產(chǎn)品使用性能和質(zhì)量可靠性要求。

參考文獻：

[1] 姚春臣，吳志偉，呂學敏，等.無損檢測技術(shù)在固體火箭發(fā)動機制造中的應(yīng)用[C]//首屆中國泛西部無損檢測學術(shù)年會論文集.重慶：重慶市機械工程學會無損檢測分會，2015.

[2] 王春齊，等.火箭發(fā)動機噴管耐熱內(nèi)襯的制備[J].玻璃鋼/復合材料，2002(2):30-31.

[3] 王建華. 某戰(zhàn)術(shù)產(chǎn)品發(fā)動機擴散段絕熱層纏繞成型工藝改進[J].上海航天, 2006(4)：58-60.

[4] 陳小軍,郭麗婷.高硅氧-碳纖維增強酚醛樹脂復合模壓制品工藝研究[J].纖維復合材料，2009(2):42-44.

責任編輯 鄭練

Study of the Autoclave Molding Technology for Composite Engine Liner

ZENG Yanming, WANG Haiyun, WANG Min, WANG Yuhong, XIE Huan, YAO Chunchen

(Jiangnan Industries Group Co., Ltd., Institute of Technology, Xiangtan 411207, China)

Abstract：In order to improve the thermostability and erosion of the solid rocket engine liner, and solve the problem about the ablation of the engine case, the autoclave molding technology is studied through the composite liner. The process and parameters such as preparing materials, winding and autoclave molding were optimized. At the same time, the liner on production was tested by physical and mechanical property, and then the liner assembled on the engine is assessed by the performance of engines. The results show that the liner produced by the autoclave molding process can completely meet the quality and performance of the engine. The research solves the key technical issues of the ablative engine.

Key words：composite, solid rocket engine, liner, autoclave molding

中圖分類號：TB 332

文獻標志碼：A

作者簡介：曾艷明(1983-)，男，大學本科，工程師，主要從事復合材料成型工藝技術(shù)等方面的研究。

收稿日期：2016-09-25