一种多层防热结构零烧蚀空气舵及其制备方法和装置

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其是涉及一种多层防热结构零烧蚀空气舵及其制备方法和装置。

背景技术

空气舵可用于控制飞行器的偏转，属于飞行器上的关键部位，在飞行器高速飞行过程中，空气舵工作环境温度高，烧蚀严重，对防热复合层耐烧蚀性能要求高。目前空气舵采用无机纤维和树脂制作，利用树脂受热分解和无极纤维熔融吸收热量，随着飞行时间延长，温度升高，树脂分解和纤维熔融导致防热复合层破坏，影响空气舵的气动外形，使其无法正常工作，满足不能使用要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种多层防热结构零烧蚀空气舵及其制备方法和装置，以解决现有技术中空气舵耐烧蚀性差的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面

本发明提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵，包括金属舵体、以及金属舵体外侧包覆的防热复合层，防热复合层包括金属舵体外侧依次设置的低密度层、中密度层以及耐烧蚀高密度层；所述低密度层采用无机纤维和酚醛树脂模压成型，所述中密度层采用机织布和酚醛树脂铺层成型，所述耐烧蚀高密度层采用2.5D编织体和瓷化树脂复合成型，所述瓷化树脂采用酚醛树脂和粒径≤1μm的陶瓷粒子混合制备。

进一步的，所述防热复合层的低密度层、中密度层以及耐烧蚀高密度层采用共固化成型。

进一步的，所述低密度层厚度为5mm；所述低密度层无机纤维采用高硅氧纤维针刺毡、石英纤维针刺毡中任意一种，树脂为硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种制成。

进一步的，所述中密度层厚度为3mm；所述中密度层机织布采用高硅氧纤维针刺毡、石英纤维针刺毡中任意一种制成；所述中密度层酚醛树脂采用硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种制成。

进一步的，所述耐烧蚀高密度层厚度为3mm；所述耐烧蚀高密度层2.5D编织体采用高硅氧纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中任意一种制备的编织体或几种混合制备的编织体。

进一步的，所述耐烧蚀高密度层瓷化树脂采用硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种与如下至少一种陶瓷粒子：硼化锆、氧化锆、氮化硼混合制成。

第二方面

本发明还提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵的制备方法，包括：

根据金属舵体和低密度层的外形设计模压模具；

将纤维纱和树脂的混合物利用压机合模制备，得到预成型体；

将中密度层的树脂涂覆在机织布上，晾干并按预成型体形状裁剪成布块；

将所述布块铺层在预成型体上，抽真空压实成型，得到中密度预制体；

将陶瓷粒子与树脂混合后涂覆在编织体上，晾干并按中密度预制体形状裁剪仿形块；

将所述仿形块包裹在中密度预制体上，合模并加热至170-180℃的温度，压力20-25T；

脱模后得到零烧蚀空气舵。

进一步的，所述合模并加热过程中，加热速率为1.5-2℃/min，升温时间为1.5-2.5h，保温时间为2.5-3.5h。

第三方面

本发明还提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵的制备装置，包括上模、下模，所述上模设置于所述下模上，上模和下模合模后形成型腔，所述型腔用于零烧蚀空气舵的成型。

相对于现有技术，本发明所述的一种多层防热结构零烧蚀空气舵及其制备方法和装置具有以下优势：

本发明利用瓷化树脂在高温下发生陶瓷化反应的特点，通过低密度层、中密度层以及耐烧蚀高密度层多层材料共固化制备一种零烧蚀的空气舵制品，具有耐烧蚀，重量轻的特点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的一种多层防热结构零烧蚀空气舵的结构示意图；

图2为图1中A-A方向的结构示意图；

图3为本发明实施例二所述的一种多层防热结构零烧蚀空气舵制备方法的流程图。

附图标记说明：

1、金属舵体；2、防热复合层；3、低密度层；4、中密度层；5、耐烧蚀高密度层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本发明实施例一提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵，如图1和图2所示，包括金属舵体1、以及金属舵体1外侧包覆的防热复合层2，防热复合层2包括金属舵体1外侧依次设置的低密度层3、中密度层4以及耐烧蚀高密度层5；所述低密度层3、中密度层4以及耐烧蚀高密度层5通过模具净尺寸共固化成型；所述低密度层3采用无机纤维和低密度酚醛树脂预压成型，所述中密度层4采用机织布和酚醛树脂铺层成型，所述耐烧蚀高密度层5采用2.5D编织体和瓷化树脂复合成型，所述瓷化树脂采用酚醛树脂和粒径≤1μm的陶瓷粒子通过搅拌混合均匀制备，瓷化树脂在受热过程中发生陶瓷化，吸收大量的热并形成致密的陶瓷化层，有效的防止烧蚀，同时通过设置不同密度的防热结构，减轻了空气舵产品重量。

上述防热复合层2的低密度层3、中密度层4以及耐烧蚀高密度层5采用共固化成型，有利于提高放热层的结构稳定性，确保防热复合层2具有持续稳定的耐烧蚀性能。

上述低密度层3厚度为5mm；所述低密度层3无机纤维采用高硅氧纤维针刺毡、石英纤维针刺毡中任意一种，树脂为硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种制成。

上述中密度层4厚度为3mm；所述中密度层4机织布采用高硅氧纤维针刺毡、石英纤维针刺毡中任意一种制成；所述中密度层4酚醛树脂采用硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种制成。

上述耐烧蚀高密度层5厚度为3mm；所述耐烧蚀高密度层5的2.5D编织体采用高硅氧纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维中任意一种制备的编织体或几种混合制备的编织体。

上述耐烧蚀高密度层5瓷化树脂采用硼酚醛、氨酚醛树脂、钡酚醛树脂中的任意一种与如下至少一种陶瓷粒子：硼化锆、氧化锆、氮化硼通过搅拌均匀分散混合制成。

在实际应用过程中，低密度层3具有低密度，低热导率的特点，不仅可以减轻空气舵的总重量，并且有效降低飞行过程中防热复合层2向金属舵体1的热量传递，降低舵体温度；中密度可以提高空气舵的强度，以满足抵抗产品在工作时所需承担动压；耐烧蚀高密度层5中的陶瓷粒子在高温作用下聚合物裂解的同时陶瓷粒子反应形成立体网状结构的陶瓷物相，最终形成连续纤维、陶瓷双相增强的树脂基复合材料，降低复合材料的尺寸烧蚀量，从而具有良好的耐烧蚀性。

陶瓷粒子采用如下至少一种：硼化锆、氧化锆、氮化硼。陶瓷粒子在高温下可以反应形成立体网状结构的陶瓷物相，从而形成连续纤维、陶瓷双相增强的树脂基复合材料。

耐烧蚀高密度层5的厚度为3mm。耐烧蚀高密度层5厚度过小，耐烧蚀性效果差，耐烧蚀高密度层5厚度过大，产品重量大。

本发明提供的这种零烧蚀空气舵其低密度层的密度可达到0.5-0.6 g/cm

本发明提供的这种零烧蚀空气舵其中密度层的密度可达到0.8-0.9 g/cm

实施例二

本发明实施例二提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵的制备方法，如图3所示，这种方法可用于制备上述实施例所述的零烧蚀空气舵，该方法包括如下步骤：

步骤101、根据金属舵体和低密度层的外形设计模压模具；

步骤102、将纤维纱和树脂的混合物利用压机合模制备，得到预成型体；

步骤103、将中密度层的树脂涂覆在机织布上，晾干并按预成型体形状裁剪成布块；

步骤104、将所述布块铺层在预成型体上，抽真空压实成型，得到中密度预制体；

步骤105、将陶瓷粒子与树脂混合后涂覆在编织体上，晾干并按中密度预制体形状裁剪仿形块；

步骤106、将所述仿形块包裹在中密度预制体上，合模并加热至170-180℃的温度，压力20-25T；

步骤107、脱模后得到零烧蚀空气舵。

上述合模并加热过程中，加热速率为1.5-2℃/min，升温时间为1.5-2.5h，保温时间为2.5-3.5h。

在实际应用制备空气舵时，可根据金属舵体和低密度的外形设计模压模具，并将纤维纱和树脂的混合物，利用压机合模制备预成型体，纤维纱和树脂混合物的使用量可根据实际预成型体的外形设计需求而定，本领域技术人员也可以根据其他实际需要进行合理选择，在这里不再赘述；将中密度层的树脂涂覆在机织布上，晾干后按形状裁剪成布块，然后铺层在预，抽真空压实成型中密度预制体；将陶瓷粒子与树脂混合，然后涂覆在编织体上，晾干后按形状裁剪，包裹在中密度预制体上，合模后加热至170-180℃的温度，压力20-25T，脱模后获得空气舵；合模加热过程中，加热速率为1.5-2℃/min，升温时间为1.5-2.5h，保温时间为2.5-3.5h。

实施例三

本发明实施例三提供了一种多层防热结构零烧蚀空气舵的制备装置，这种装置可通过上述实施例所述的制备方法制备零烧蚀空气舵，这种装置包括上模、下模，所述上模安装在所述下模上，上模和下模合模后形成型腔，所述型腔用于零烧蚀空气舵的成型，本领域技术人员可以根据需要采用合适形状的上模和下模，并采用合适的方式连接上模和下模，以使上模和下模合模后形成型腔即可，在这里不再赘述。

在实际应用中发现，这种零烧蚀空气舵在6Ma、动压80kPa、总温1400k条件下，烧蚀600s，防热复合层无厚度损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。