林松;张琳;高志琪;孙艳荣;李文斌
【摘 要】为推进国产T700炭纤维在发动机壳体上的应用,针对其进行复合材料缠绕成型的带距与张力等关键工艺参数设计,并进行复合材料试验及工艺优化,得到发动机壳体缠绕成型的工艺及关键设计参数.基于以上参数采用网格理论进行发动机壳体的强度设计,缠绕成型φ150 mm发动机壳体,并进行水压爆破试验验证.结果表明,国产T700炭纤维的缠绕张力与带距等对复合材料力学性能影响较大,起始缠绕张力30 N每层递减0.5 N以及缠绕设计带距为2.5 mm为最佳缠绕工艺参数,经工艺优化的国产T700炭纤维的强度发挥率高达83.2％,采用优化后的工艺参数制备的发动机壳体的爆破压强达到36.5 MPa,容积特征系数(pV/W)高达43.6 km,具有较高的结构效率.所得工艺及关键设计参数可为国产T700炭纤维在发动机壳体等高压容器上的应用提供借鉴. 【期刊名称】《固体火箭技术》
【年(卷),期】2018(041)005
【总页数】7页(P614-620)
【关键词】缠绕张力;缠绕带宽;NOL环;发动机壳体
【作 者】林松;张琳;高志琪;孙艳荣;李文斌
【作者单位】北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;航天材料及工艺研究所,北京100076
【正文语种】中 文
【中图分类】V258
0 引言2mc
与传统金属材料相比，炭纤维缠绕复合材料具有高比强度与比模量，广泛用于化学工业和航空航天等领域[1-3]。航天高性能复合材料发动机壳体通常采用炭纤维缠绕成型，可以极大地减少发动机消极质量，目前大部分采用进口高性能的T700级及其以上炭纤维[4-6]，受
国外进口原材料限制影响，应用国产化纤维是必然趋势。当前，国产T700炭纤维已经实现批产，但其在缠绕成型发动机壳体上的报道有限，主要是由于其原材料、生产工艺以及上浆剂等与进口炭纤维存在差异，导致其缠绕成型的复合材料性能低于进口纤维。特别是涉及到国产T700纤维缠绕成型的关键工艺参数如：缠绕带距、缠绕张力等需要进行重新设计[7-9]，急需开展国产T700炭纤维在发动机壳体上的强度设计及成型工艺研究。
19rrr
本文目的在于进行国产T700炭纤维缠绕成型关键工艺参数如缠绕张力、展纱宽度、排纱均匀性以及含胶量等参数的设计及工艺优化研究，根据设计优化的实验结果，采用网格理论进行复合材料发动机壳体的强度设计，探索国产T700炭纤维发动机壳体的成型工艺参数及其强度设计，制备出高结构效率的φ150 mm发动机壳体，推进国产T700炭纤维在航天发动机上的应用。
1 实验方法
1.1 原料
缠绕树脂体系，自制；国产T700炭纤维，6K，河南永煤，其基本性能如表1所示；φ150 mm发动机壳体砂芯模，自制。
表1 国产T700炭纤维力学性能Table 1 Mechanical properties of domesticcarbon fiber T700线密度/(mg/m)体密度/(g/cm3)拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa延伸率/%4071.7849002452.35
1.2 试样制备
按照GB/T2578分别制备15～55 N及30～14 N递减缠绕张力的复合材料NOL环拉伸及层间剪切试样，其中纤维展纱宽度为3.5 mm，缠绕层数为16层；按照GB/T2578的方法，分别制备纤维展纱宽度为3.5、2.5、2、1.5、1 mm的NOL环试样，缠绕层数分别为16、10、9、7、5层，缠绕张力为30 N；按照GB/T 6058—2005《纤维缠绕压力容器制备和内压试验方法》，将纤维浸渍过树脂后在缠绕张力作用下，通过缠绕机缠绕成型于发动机壳体的砂芯模表面，经过旋转固化后，采用水冲洗内部的砂芯模，制得φ150 mm的发动机壳体。
1.3 测试及表征
分别按照GB/T1458与GB/T1461的方法采用万能材料试验机测试NOL环的拉伸强度与层间剪切强度；按照GB/T 3366的方法采用金相显微镜法对复合材料NOL环的纤维体积含量进
行测试；按照GB/T 6058《纤维缠绕压力容器制备和内压试验方法》在水压试验工装内进行φ150 mm的发动机壳体的爆破试验，记录爆破压强及失效模式。
NOL环纤维强度发挥率计算公式如下：化工复合软管
δ=FNOL/(VfFfiber)100%
(1)
式中 δ为纤维强度发挥率，%；FNOL为NOL环拉伸强度，MPa；Vf为纤维体积含量，%；Ffiber为纤维复丝强度，MPa。
2 结果与讨论
2.1 缠绕树脂力学性能
本文采用的缠绕树脂体系的力学性能如表2所示。树脂体系具有较高的拉伸强度，且韧性较好，可满足国产T700炭纤维的匹配性要求。树脂浇注体拉伸断面SEM照片如图1所示，树脂断面呈现鱼鳞状，说明此配方树脂受力破坏呈现为韧性破坏，这有利于延缓气瓶受内压
时基体树脂开裂的趋势[10]，可充分发挥国产炭纤维的拉伸强度。
表2 缠绕树脂力学性能Table 2 Mechanical properties of resin拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa延伸率/%92.2±4.23.1±0.25.2±0.5
图 1 树脂浇注体拉伸断面SEM照片Fig.1 SEM photo of resin casting surfaceafter tension fracture
2.2 发动机壳体缠绕成型张力设计
发动机壳体缠绕过程中需对纤维施加一定的张力，以提高复合材料的密实度，进一步提高纤维的取向性，从而充分发挥炭纤维的拉伸性能 [11-12]。但缠绕张力会使外层纤维挤压内层，导致内层树脂向外迁移，从而导致纤维体积含量沿壁厚非均匀分布，并且外层纤维会挤压内层纤维，导致内层纤维张力松弛，最终对复合材料的整体性能产生影响[13-14]。在发动机壳体实际工艺设计中，如何确定每层纤维的缠绕张力以便获得设计的预应力和保证各层纤维处于等张力状态至关重要，一般采用逐层递减的张力制度来进行复合材料的缠绕张力设计[15]。
本文采用国产T700-6K炭纤维成型不同张力NOL环，进行缠绕张力的设计研究。如表3所示，复合材料NOL环的拉伸及层剪强度受缠绕张力的影响较大，均随缠绕张力的增大均呈现先增大后减小的趋势，缠绕张力为30 N时拉伸强度达到2377.7 MPa的最大值，缠绕张力为40 N时层间剪切强度达到98.8 MPa的最大值。
表3 不同缠绕张力NOL环的力学性能Table 3 Mechanical properties of differentwinding tension of NOL rings序号缠绕张力/N层间剪切强度 /MPa拉伸强度 / MPa纤维体积含量/%1#1565.1±3.21800.2±80.556.1±2.12#2067.2±3.62303.4±93.461.1±3.23#2572.9±4.22357.6±100.363.2±2.34#3073.9±5.22377.7±98.563.3±2.35#3590.3±3.62137.8±95.565.2±1.36#4098.8±5.22100.9±80.565.2±1.97#4590.4±5.32170.3±72.366.2±2.98#5089.9±4.52078.4±67.866.2±3.99#5576.3±4.72040.6±87.268.2±3.5
不同缠绕张力会导致复合材料纤维体积含量的差异，从而造成宏观拉伸强度的较大差异，为表征缠绕张力对缠绕成型后复合材料中炭纤维本身拉伸强度的影响，通过归一法计算出复合材料中炭纤维在拉伸破坏过程中的强度发挥率，如式(1)所示。其结果如图2所示，纤维强度发挥率随着缠绕张力层现先增大后减小的趋势，在缠绕张力为30 N时达到最高值77%。
对于炭纤维缠绕成型，缠绕张力不宜过大。如图3(a)所示缠绕张力为30N时国产T700炭纤维被树脂基体紧密包裹，界面结合较好。随着缠绕张力增大，如图3(b)所示外层纤维在缠
绕张力作用下会挤压内部树脂导致其向外迁移过多，使得材料局部出现缺胶与孔隙等缺陷，从而导致复合材料NOL环随着缠绕张力增大拉伸强度出现下降。由于发动机壳体在受力过程中纤维主要承受拉伸载荷，所以可主要考虑缠绕张力对拉伸强度的影响，综合以上NOL环试样力学强度及微观形貌观察，将30 N作为复合材料发动机壳体的纤维缠绕张力的最大值。
纳米金粉图2 不同缠绕张力NOL环纤维强度发挥率Fig.2 Fiber strength ratio of NOL ringswith different winding tensions
(a)30 N
(b)50 N图3 不同缠绕张力复合材料NOL环断裂形貌观察Fig.3 Composites fracture morphology ofNOL rings with different tensions
本文在以上实验基础上制定了起始缠绕张力30 N，每层递减0.5 N与每层递减1 N的缠绕张力制度，依据以上2种递减缠绕张力制度缠绕成型NOL环进行拉伸强度试验。如表4所示，与恒定30 N缠绕张力制度相比，采用递减张力制度制备NOL环的拉伸强度提升明显，说明
在设计的递减张力制度下，各层纤维可以达到等张力状态，从而提高纤维的强度发挥率。起始缠绕张力30 N每层递减0.5 N NOL环纤维强度发挥率最高为83.2%，可作为发动机壳体的缠绕张力制度。
表4 逐层递减缠绕张力NOL环的力学性能Table 4 Mechanical properties of NOL rings by decreasing winding tension样品缠绕张力/N层间剪切强度/MPa拉伸强度/MPa纤维体积含量/%纤维强度转化率/%4#3073.9±3.72377.2±75.563.1±2.777.1±4.710#递减 0.5 N72.8±2.62563.3±78.263.2±2.283.2±2.711#递减1 N70.2±1.92410.4±50.262.3±1.879.1±3.5
2.3 发动机壳体缠绕成型展纱带距的设计
炭纤维缠绕带距会对发动机壳体的成型质量造成影响[16-17]，主要是由于缠绕成型过程，为避免单一缠绕层出现纤维间隙，缠绕相邻纱线之间需要进行适当搭接，搭接的宽度一方面会对缠绕层纤维厚度产生影响，另一方面也会对缠绕角产生影响，从而影响复材的性能。本文采用30 N缠绕张力，进行国产T700炭纤维缠绕带距的设计优化试验，即采用不同设计带距纤维缠绕成型筒形结构件，然后加工切割成NOL环进行力学性能测试。其涉及影
电流器响宏观力学性能的参数主要包括缠绕设计带距b、未搭接宽度ΔM、搭接宽度ΔZ及缠绕角θ，如图4所示。
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