整体式酚醛树脂基复合材料扩张段制造技术研究

熊文琪 孙正 张同表 王尧尧 郭子桐

摘要：扩张段作为固体火箭发动机上的重要零部件，需要具备优异的抗烧蚀冲刷和综合力学性能。本文设计整体式扩张段几何尺寸，基于针刺缝合工艺制备一体化扩张段预制体，采用真空辅助灌注RTM工艺和高压RTM工艺注入酚醛树脂浸润预制体，阶梯升温固化得到整体式酚醛树脂基复合材料扩张段，为低成本、高效率批量制备整体式酚醛树脂基复合材料扩张段积累经验。

关键词：扩张段；酚醛树脂；RTM；复合材料；制造技术

喷管作为固体火箭发动机重要构件，是一种将热能转化为动能的装置［1］。其主要由背衬、喉衬和扩张段组成，其中扩张段将通过喉衬的高温高压高速燃气膨胀并加速，实现火箭更大的推力和能量转换效率，这要求扩张段具备优异的抗烧蚀、抗隔热、抗冲刷和综合力学性能［2–7］。

目前扩张段常用的耐烧蚀防热材料有两类，一类是碳/碳（C/C）复合材料，另一类是酚醛树脂基复合材料。相比碳/碳复合材料，酚醛树脂基复合材料属于一次性的热防护材料，在高温高压燃气冲刷下，酚醛树脂基体发生热解、气化、碳化等物理化学变化，酚醛树脂热裂解形成的碳化层具有隔热的功能。酚醛树脂具有隔热效果优秀、导热率低、抗烧蚀性能良好和价格低廉的优势，目前在航空航天和国防军事领域应用广泛［8］。欧洲某重型运载火箭的喷管大部分均匀采用碳布酚醛树脂复合材料；法国某火箭的一级固体发动机P80扩张段采用的是碳/酚醛针刺复合材料［9］；美国某火箭喉衬背壁、民兵导弹的二级喷管扩散段由高硅氧/酚醛树脂复合材料制成［10］。

传统的扩张段一般采用预浸布带缠绕成型工艺制备碳/酚醛树脂基和高硅氧/酚醛树脂基复合材料，该制备工艺技术成熟，但预制体是二维层间结构，厚度方向上的强度主要靠树脂间的黏结力，因此层间剪切强度和断裂韧性较低［11］。为解决传统扩张段制备二维结构预制体低效率、层间性能不稳定的问题，目前国内外已出现缠绕/针刺、三维编织和缠绕/缝合等扩张段三维结构预制体的制备技术［12］，提高了扩张段的抗烧蚀冲刷性能和综合力学性能的提高。针刺工艺技术简单、自动化程度较高、成本低，相比传统二维预制体，层间结构得到提高。但其第三维度方向上的纤维含量较少，且纤维贯穿针刺单元层数受针刺深度限制，导致针刺预制体厚度方向上的层间力学性能较低。缝合工艺制备的预制体，未缝合区域和缝合区域不能实现有效连接，材料整体层间性能不均匀［13］。本文采取针刺缝合工艺制备整体式扩张段预制体，利用真空辅助RTM工艺注射酚醛树脂实现整体式复合材料扩张段的制备，从结构设计、预制体制备、RTM成型复合材料方面对整体式复合材料扩张段的设计和制备进行介绍。

1整体式复合材料扩张段结构设计

整体式复合材料扩张段由扩张段预制体进行固化得到，因此扩张段预制体的结构形状直接影响整体式复合材料扩张段的结构。传统扩张段将背衬（高硅氧/酚醛）、扩张段（碳/酚醛）和喷管壳体（不锈钢）分开制造后装配为一体的工艺［14］，需要考虑配合精度，对各零件成形精度要求较高，且存在结构间隙易产生热防护结构失效、应力过大材料产生破坏等故障现象。

本文采用不同材料分区制造预制体，并采用缝合工艺进行各区域间的连接，最终将预制体固化得到整体式复合材料扩张段，从而降低装配难度，提高喷管整体性，减少因结构间隙而产生的故障发生概率。整体式复合材料扩张段的几何模型见图1。

2预制体的制备

2.1原材料

预制体采用分区制备，由高硅氧区域和碳纤维区域组成。高硅氧区域由厚0.5mm，面密度为290±10g/m2的高硅氧纤维布和85Tex短纤维，面密度为65±5g/m2的高硅氧纤维针刺毡叠层针刺的单元层组成。碳纤维区域由面密度为200g/m2的3K碳纤维平纹布和面密度80g/m2碳纤维网胎叠层针刺的单元层组成。缝合线采用T3003K，线密度200tex，拉伸强度4200MPa的碳纤维线。

2.2成形工艺

高硅氧单元层由一层高硅氧纤维布和一层高硅氧纤维针刺毡组成。碳纤维单元层由一层碳布和一层网胎组成。单元层铺层方向均平行于扩张段轴线。若单元层铺层方向平行于扩张段内侧锥面，在高温高压燃气冲刷下，内表面抗烧蚀性能降低。每层单元层均针刺一遍，针刺密度20～30针/cm2，针刺深度为10～15mm。每10层单元层进行一次缝合，缝合密度为30mm×30mm。

选取和扩张段预制体内部尺寸匹配的木质芯模，放置在针刺设备上。剪裁每层合适尺寸的基布和网胎，叠层铺放在芯模上，从碳纤维区域近轴线端开始，与扩张段预制体轴线平行方向铺放单元层并针刺。当预制体厚度达到与高硅氧区域底部齐平时，交替铺层高硅氧区域和碳纤维区域，保持两区域顶端齐平。在两区域连接处利用缝合工艺加强两区域间的连接强度。当碳纤维区域距离预制体几何模型中段顶端的厚度等于扩张段预制体尾段平行锥面段的厚度时，裁剪可以同时铺放扩张段预制体与轴线平行的中段和平行锥面的尾端的布块，中段单元层与预制体轴线平行，尾端单元层与锥面平行，交替铺放高硅氧区域和碳纤维区域。当高硅氧区域达到指定厚度后，继续铺放剩余碳纤维区域，直到预制体尾端平行锥面段达到指定厚度。继续铺放单元层直至碳纤维区域中的法兰部分制作完成。将预制体从木质芯模上取下得到最终的针刺缝合一体化扩张段预制体。扩张段预制体制备工艺流程图见图2。

3复合材料扩张段的制备

3.1工艺选取

复合材料的成型工艺种类众多，其中树脂基复合材料常用成型工艺有手糊成型、模压成型、喷射成型、注射成型、RTM成型等［15］。其中樹脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种低成本的复合材料液体封闭成型技术，基本原理是：在一定温度和压力下将混合的树脂体系注入密闭模腔内，浸润纤维或织物等增强材料，再放置在一定温度下进行固化成型，脱模后得到复合材料制件。RTM工艺可降低复合材料成型时间和加工成本，可成型复杂大面积的构件，成型复合材料表面质量好且精度较高，全过程可降低对身体和环境的伤害，安全且环保，适用于大规模生产［16］。但传统的RTM工艺存在高黏度树脂流动性差、树脂浸润增强材料不充分的缺陷，因此本文采用真空辅助灌注RTM和高压RTM注射先后进行，在真空辅助条件下树脂由模腔内的负压被注入，在注入流速过低时启动RTM注射机，恒速注入树脂。该工艺有利于树脂充分浸润预制体，并避免高速流动树脂带动或冲散纤维，使复合材料制品的力学性能大大降低。

3.2模具设计及制造

为提高复合材料制件的成形质量和成形精度，采用金属作为模具材料进行模具的加工制造。模具内部封闭型腔尺寸与扩张段预制体几何尺寸相同，考虑预制体放入模具后的模具合模及RTM注射固化成型制件的脱模，在扩张段内表面圆柱面段和锥面段分界面位置分上下芯模，并将两个侧模分为上下两个部分。设计注胶流道、出胶流道和排气通道，便于抽真空和RTM注胶，由于酚醛树脂在升温固化过程中发生化学反应会产生大量缩合水、甲醛和气体小分子等，因此将排气通道设置在左下模上，用于将缩合水等反应产物排出，从而降低孔隙率提高复合材料制品力学性能。各模体件均采用螺栓进行连接，在合模面采用密封垫和密封条密封以提高模具密封性，保证模具抽真空后可稳定保持负压状态，并避免注胶时有树脂溢出。在左右下模合模面处，配备螺纹孔以拧紧螺栓顶开模具，保证制件成型后顺利脱模。RTM模具主体结构示意图见图3。

3.3工艺控制

模具设计并制造完成后，首先需要检查模具气密性。将模具排气口关闭，出胶口连接真空泵，进胶口连接真空表。开启真空泵使模腔内负压，观察真空表，待真空表示数接近-0.1MPa并保持一段时间不变化后，封闭管路保压一段时间，若期间真空表示数不变，表示模具密封良好。

整体式扩张段复合材料的RTM成型流程图见图4。将模具内外表面清理干净，无任何附着物。均匀涂抹三次脱模剂，待脱模剂干燥成膜后再涂第二层。将预制体放入模具内，合膜后紧固螺栓。放入烘箱内在注射温度下加热一定时间，保证模具内外温度、预制体温度和注射温度一致。将酚醛树脂加热至注射温度后，搅拌并抽真空，使树脂受热反应产生的缩合水、气体小分子等排出。将注胶口连接RTM注射机，出胶口连接真空泵，排气口连接大气。关闭注胶通道和排气通道，开启出胶通道和真空泵，将模具型腔内空气排出，维持真空度不变。酚醛树脂灌注预制体的步骤如下：

（1）打开注胶通道，在模腔负压作用下树脂快速流动至模腔，当树脂流速过慢时，打开RTM注射机齿轮泵，恒低速注入树脂，注意注胶压力控制在2MPa以内。根据注胶压力的变化，调节注胶流速。

（2）当出胶口连接的树脂收集器内出现树脂，将出胶口开闭一段时间，排出模腔内气泡。关闭RTM注射机和真空泵，封闭注胶通道和出胶通道，开始升温固化。

（3）升温固化采用阶梯升温固化，在低温阶段保温一段时间后，短暂开闭排气通道；然后升温至中温阶段保温一段时间后，短暂开闭排气通道；再升温到高温阶段，保温固化，间隔一段时间短暂开闭排气通道。最后，自然冷却至室温，脱模。

在升温固化过程中，由于金属模具壁厚较大，温度传递至模具内部时间较长，阶梯升温过程中保温时间应适当延长，保证模具内外温度和产品温度的一致性。

在完成上述工序后，将得到的复合材料制品加工打磨。并对模具进行处理，保证下次使用时模具完好。完成上述所有工序后，得到整体式复合材料扩张段。经称重，整体式复合材料扩张段的纤维体积分数为48%。

结语

本文设计了一种整体式酚醛树脂基复合材料扩张段，基于针刺缝合工艺，铺层分区制造高硅氧区域和碳纤维区域，得到一体化扩张段预制体，设计适用的金属模具，先后采用真空辅助灌注RTM成型和高压RTM成型工艺将酚醛树脂注入模具型腔，充分浸润扩张段预制体，阶梯升温控制固化参数得到整体式酚醛树脂基复合材料扩张段。通过实验初步形成可行、经济、安全环保的整体式酚醛树脂基复合材料扩张段制造工艺，确定了低成本、高效率、可批量生产、高性能的整体式酚醛树脂基复合材料扩张段制备流程。

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作者简介：熊文琪（2001—），男，汉族，江西九江人，硕士研究生在读，研究方向：机械电子。

*通讯作者：孙正。