一种轻质、低烧蚀喷管扩张段及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机喷管领域，具体涉及一种轻质、低烧蚀喷管扩张段及其制备方法。

背景技术

目前国内定型批生产的固体火箭发动机喷管扩张段材料多为碳布/高硅氧布增强酚醛树脂复合缠绕制品。碳布/高硅氧布增强酚醛树脂复合缠绕扩张段在高温高压强工作环境下烧蚀量大，必须通过增大材料设计厚度以保证长时间冲刷过程中的抗烧蚀能力，导致扩张段往往消极质量偏大，不满足喷管减重指标要求。因此具备轻质、长时低烧蚀性能的扩张段成为了先进高性能喷管的必然选择。

现有的轻质、低烧蚀扩张段的技术方案主要有：专利CN111997781A中采用基于RTM工艺半固化表面的复合材料扩张段成型方法来制备出双层复合材料喷管扩张端段，其中内层为2.5D碳纤维织物增强树脂基复合材料烧蚀层，外层为高硅氧纤维布带缠绕成型隔热层。该扩张段制备方法中，由2.5D碳纤维预制体制备的烧蚀层，在高压强发动机工作过程中，经纬纱暴露在燃气中的燃面不同，会引起不同的抗烧蚀剥离能力，易造成类似于波浪形状的烧蚀形貌，烧蚀均匀性较差，而且该法涉及RTM工装设计、布带缠绕技术、热压罐加压固化等多种成型技术，成型过程还需要不同的工装配合，造成工艺较复杂，产品质量影响因素较多；专利CN106116623A针对现有的扩散段重量大、成本高等缺点，使用气相沉积法对碳纤维织物进行浸渍，之后裂解得到C/C坯料。将该坯料再置于聚碳硅烷的二甲苯溶液中浸渍，最后进行物理加压固化、高温裂解及机械加工的一系列操作，得到所需尺寸的扩张段。该制备工艺过程需要用到气相沉积设备和高温裂解炉等专用特殊设备，且浸渍-固化-裂解工艺要重复5-7次才能达到所需产品密度，整个过程工艺繁杂，设备要求高，工艺成本较高；CN209011969U专利是在碳布-高硅氧布/酚醛缠绕扩张段的基础上，在扩张段后段引入厚度较小，重量相对较轻的碳/碳化硅复合缠绕材料以降低整体重量，归根结底还是缠绕扩张段，相比针刺预制体，缠绕工艺复合材料层间剪切性能较差，缠绕扩张段薄壁结构设计在高温碳化后容易发生结构分层的现象。

现有扩张段材料多为碳布/高硅氧布增强酚醛树脂复合缠绕技术制备，在实际发动机应用中主要存在以下两个方面的不足：一是扩张段小端的“台阶”效应(与喉衬对接)显著，烧蚀率较大，导致扩张段比冲效率降低，甚至会造成扩张段的结构破坏；另一方面，扩张段出口锥为薄壁结构，传统缠绕工艺复合材料存在层间性能低问题，在高温碳化后容易发生结构分层的现象，为了减小碳化区的影响，需要采用增大壁厚的设计思路，但这种情况会造成扩张段消极质量大幅增加。

发明内容

本发明目的之一是提供一种轻质、低烧蚀喷管扩张段，解决现有缠绕扩张段存在的材料强度较低，高温高压强工作环境下烧蚀量大，需缠绕厚度较厚以满足抗烧蚀要求，导致喷管重量较重等问题，满足先进固体火箭发动机对高冲质比喷管性能要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种轻质、低烧蚀喷管扩张段的制备方法，包括：

S1：扩张段小端的制备：将高残炭酚醛树脂、聚丙烯腈基短切碳纤维和溶剂按比例混合为预混料，预混料脱溶剂处理后，装入扩张段预制件固化工装内，经压机加热加压固化为预制件毛坯，预制件毛坯机加后即得到预制件；

S2：扩张段大端的制备：在预制件外侧及扩张段大端部分采用碳布/网胎+针刺成型工艺进行复合式扩张段预制体的编织，制成后，浸渍酚醛树脂，然后在扩张段整体模压工装内，经压机加热加压固化为复合式扩张段制品，扩张段毛坯在后续的喷管生产中，局部机加，与喷管壳体装配到位即可。

进一步地，所述S1中溶剂采用工业酒精，其中，高残炭酚醛树脂、聚丙烯腈基短切碳纤维和溶剂的质量比为1：1.4-1.6：2.8-3.2。

进一步地，所述S1中预混料在70-80℃脱溶剂，保持预混料中挥发份x含量为3.0％≤x≤5.5％。

进一步地，所述S1中压机加热固化步骤为：在50-60min内由室温升温至80-90℃，保持120-130min；然后在50-60min内升温至100-110℃，保持90-100min；最后在140-150min内升温至170-180℃，保持150-160min；压机加压固化步骤为：80-90℃时加压1.0-1.5MPa合模；100-110℃时加压3.0-3.5MPa；在100-110℃下保温60-70min时，放气1-2min，加压6.0-6.5MPa；100-110℃下保温90-100min时，放气1-2min后加压10.0-10.5MPa，保压一直到程序结束，固化结束后，待固化工装自然冷却至室温，脱模取出小端预制件毛坯。

进一步地，所述S2中碳布为T800聚丙烯腈基碳纤维斜纹布，所述网胎为T700聚丙烯腈基碳纤维，其中，碳布与碳纤维网胎交替叠层，铺层方向与扩张段母线方向平行，通过针刺工艺固定成型为锥形结构的复合扩张段整体预制体。

进一步地，所述S2中复合扩张段预制体模压成型后，在105-110℃/2h条件下对预制体除湿处理。

进一步地，所述S2中压机加热固化步骤为：在80-90min内由室温升温至100-110℃，保持240-250min；然后在30-40min内升温至120-130℃，保持120-130min；最后在170-180min内升温至170-180℃，保持150-160min；压机加压固化步骤为：升温至100-110℃时加压0.3-0.4MPa合模；100-110℃下保温结束时，加压1.0-1.2MPa；升温至120-130℃时，放气1-2min后加压2.0-2.2MPa；120-130℃下保温60-70min时，放气1-2min，加压3.0-3.2MPa；120-130℃下保温120-130min时，放气1-2min，加压4.0-4.2MPa，保压一直到程序结束，固化结束后，待扩张段整体模压工装自然冷却至室温，脱模取出扩张段制品。

基于同一构思，本发明还提供一种轻质、低烧蚀喷管扩张段。

本发明上述一个或多个技术方案具有如下技术效果：

本发明实施例提供一种轻质、低烧蚀喷管扩张段及其制备方法，根据扩张段不同部位的功能需求，合理设计扩张段双层结构和尺寸，满足不同部位的不同性能要求的基础上，实现轻质化目标，以提高发动机的有效载荷。与传统的碳布/高硅氧布增强酚醛树脂复合缠绕扩张段，以及在缠绕扩张段基础上改进的碳/碳化硅复合材料缠绕扩张段相比，复合式喷管扩张段，通过分区功能设计，使其在小端主烧蚀区具有较好的抗烧蚀性能，其它非烧蚀区具备良好的整体结构稳定性和低密度优势，扩张段整体预制体采用碳布+针刺成型，大大提高了层间剪切强度，避免出现缠绕扩张段薄壁结构设计在高温碳化后容易发生结构分层的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1.一种轻质、低烧蚀喷管扩张段制备流程图；

图2.扩张段小端预制件固化工装图；

图3.扩张段小端预制件结构示意图；

图4.复合式扩张段整体预制体图；

图5.复合式扩张段整体模压工装图；

图6.复合式扩张段制品图(毛坯)；

其中，1.阳模、2.套环、3.螺钉、4.阴模、5.垫块、6.顶盖、7.阴模、8.阳模、9.螺钉、10.底盘。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种轻质、低烧蚀喷管扩张段的制备方法，包括：

S1：扩张段小端的制备：将高残炭酚醛树脂、聚丙烯腈基短切碳纤维和溶剂按比例混合为预混料，预混料脱溶剂处理后，装入扩张段预制件固化工装内，经压机加热加压固化为预制件毛坯，预制件毛坯机加后即得到预制件；

具体地，所述溶剂采用工业酒精，其中，高残炭酚醛树脂、聚丙烯腈基短切碳纤维和溶剂的质量比为1：1.4-1.6：2.8-3.2，其中，混合顺序为先按上述比例将高残炭酚醛树脂和工业酒精采用机械搅拌方式混合均匀，然后再放入聚丙烯腈基短切碳纤维，反复搓揉，挤压，使树脂溶液与碳纤维充分混合均匀形成预混料，预混料在70-80℃脱溶剂，可以放入烘箱中脱溶剂，也可以采用其他方式脱溶剂，保持预混料中挥发份x含量为3.0％≤x≤5.5％，预混料挥发份测试方法：取一定量(20～40g)的预混料，称重m1后，放入(103～107)℃烘箱中，保温(29～31)min，取出晾至室温，然后再称重m2，则挥发份x计算为：

S2：扩张段大端的制备：在预制件外侧及扩张段大端部分采用碳布/网胎+针刺成型工艺进行复合式扩张段预制体的编织，制成后，浸渍酚醛树脂，然后在扩张段整体模压工装内，经压机加热加压固化为复合式扩张段制品，扩张段毛坯在后续的喷管生产中，局部机加，与喷管壳体装配到位即可；

具体地，碳布为T800聚丙烯腈基碳纤维斜纹布，所述网胎为T700聚丙烯腈基碳纤维，其中，碳布与碳纤维网胎交替叠层，铺层方向与扩张段母线方向平行，通过针刺工艺固定成型为锥形结构的复合扩张段整体预制体；复合扩张段预制体模压成型后，在105-110℃/2h条件下对预制体除湿处理；除湿后，将预制体用真空袋包覆，形成一个密闭空间，小端处预留一个抽真空口，大端处留若干个进胶口。浸渍前检验真空袋的真空度，要求真空度可持续保持≤-0.07MPa。称取一定量的酚醛树脂，置于干净容器内，然后通过PE注胶管连接容器内酚醛树脂和预制体进胶口，当真空度满足要求时，打开预制体进胶口阀门，酚醛树脂开始在真空吸力下被缓慢吸入预制体中，直至预制体完全被酚醛树脂浸透，预制体浸渍树脂过程完成。浸渍树脂后的预制体，装入到复合扩张段整体模压工装内，进行加热加压固化。整体模压工装如图5所示，由阴模，阳模、底盘，顶盖、螺钉组成。先将阳模和底盘通过螺钉连接，然后将浸渍后的预制体装在阳模上，再依次合上阴模和顶盖，装模完成；装模后的工装放置在压机上，准备固化；压机加热固化步骤为：在80-90min内由室温升温至100-110℃，保持240-250min；然后在30-40min内升温至120-130℃，保持120-130min；最后在170-180min内升温至170-180℃，保持150-160min；压机加压固化步骤为：升温至100-110℃时加压0.3-0.4MPa合模；100-110℃下保温结束时，加压1.0-1.2MPa；升温至120-130℃时，放气1-2min后加压2.0-2.2MPa；120-130℃下保温60-70min时，放气1-2min，加压3.0-3.2MPa；120-130℃下保温120-130min时，放气1-2min，加压4.0-4.2MPa，保压一直到程序结束，固化结束后，待扩张段整体模压工装自然冷却至室温，脱模取出扩张段制品，如图6所示。

聚丙烯腈基碳纤维/高残炭酚醛树脂材料氧乙炔线烧蚀率(执行标准GJB 323B)为0.02-0.03mm/s，比传统缠绕扩张段材料的烧蚀率(0.05-0.06)降低50％，除此之外，碳纤维/酚醛材料相比缠绕扩张段，制备工艺更加简单，质量可控性大大提高。