一種新型燒蝕隔熱功能分區(qū)的整體式異型防熱結(jié)構(gòu)的制作方法

本發(fā)明涉及一種燒蝕防熱結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，有些工程結(jié)構(gòu)設(shè)備的使用環(huán)境越來越高，特別是在高速飛行器技術(shù)領(lǐng)域，其周圍的使用環(huán)境溫度可能高達(dá)上萬攝氏度，如此高的使用環(huán)境溫度，目前沒有單一的材料可以耐受如此高的溫度，通常是在所關(guān)注的設(shè)備外圍使用一定厚度抗燒蝕的高分子復(fù)合材料進(jìn)行燒蝕型防護(hù)。目前某工程領(lǐng)域設(shè)備遭遇外圍最高工作溫度達(dá)到近3000℃，長時間工作溫度在1000℃以上，但是其承力結(jié)構(gòu)工作溫度要求在200℃以內(nèi)，內(nèi)部腔內(nèi)設(shè)備工作溫度要求在60℃以內(nèi)，且承力結(jié)構(gòu)為異型，因此要求熱防護(hù)結(jié)構(gòu)也為異型結(jié)構(gòu)。

由于重量也是衡量工程設(shè)備先進(jìn)性的一個重要指標(biāo)，特別是在高速飛行器領(lǐng)域，輕質(zhì)化是其發(fā)展的方向。要實現(xiàn)上述工程設(shè)備外圍最高工作溫度達(dá)到近3000℃，長時間工作溫度在1000℃以上，且承力結(jié)構(gòu)工作溫度要求在200℃以內(nèi)，內(nèi)部腔內(nèi)設(shè)備工作溫度要求在60℃以下，如果采用傳統(tǒng)的單層燒蝕型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)重量上滿足不了指標(biāo)要求，因此要求將指標(biāo)進(jìn)行分解，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)各項指標(biāo)，考慮將防熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分區(qū)，外圍采取抗燒蝕型的特殊高分子材料經(jīng)受短時間的耐受近3000℃高溫和長時間耐受1000℃以上的高溫，內(nèi)部采用輕質(zhì)化的高效隔熱材料以實現(xiàn)承力結(jié)構(gòu)工作溫度要求在200℃以內(nèi)、內(nèi)部腔內(nèi)設(shè)備工作溫度要求在60℃以下。

由于采用特殊的高分子復(fù)合材料和編織工藝，編織工藝可以有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異型；此外高分子復(fù)合材料通過一定溫度、壓力條件可以實現(xiàn)外圍耐高溫的燒蝕層和內(nèi)部高效隔熱層的一體固化結(jié)合成型，有效實現(xiàn)了熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，保證熱防護(hù)結(jié)構(gòu)使用過程的安全、可靠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：解決異型承力結(jié)構(gòu)的長時間耐受外圍高溫工作環(huán)境和有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備的低溫工作環(huán)境，提供了一種新型燒蝕隔熱功能分區(qū)的整體式異型防熱結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種新型燒蝕隔熱功能分區(qū)的整體式異型防熱結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)隔熱層和外燒蝕層；內(nèi)隔熱層外形與待防護(hù)部分外形適型，外燒蝕層采用多向編織織物的方式預(yù)成型后套在內(nèi)隔熱層外，最后內(nèi)隔熱層和外燒蝕層采用整體浸漬樹脂方式一體成型。

在內(nèi)隔熱層和外燒蝕層一體成型前，對內(nèi)隔熱層進(jìn)行預(yù)固化，預(yù)固化度80％～90％。

所述的內(nèi)隔熱層在隔熱前端向內(nèi)翻邊，用于實現(xiàn)飛行器端頭帽與端頭體之間的隔熱及連接密封。

所述翻邊的厚度為8-12mm。

外燒蝕層選用密度1650～1750kg/m³之間的耐燒蝕材料，內(nèi)隔熱層選用密度800kg/m³以下的隔熱材料。

所述的外燒蝕層的厚度要保證有剩余1-2mm的未碳化層。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為：

(1)本發(fā)明適用于結(jié)構(gòu)設(shè)備經(jīng)受嚴(yán)重的外部加熱(通常是外部加熱環(huán)境高達(dá)3000℃以上)，為使得結(jié)構(gòu)設(shè)備經(jīng)受此高溫環(huán)境后工作正常(工作溫度要求在200℃以內(nèi))，需要采用特殊的保護(hù)措施，則可以采用燒蝕層、隔熱層功能分區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)耐高溫和強隔熱的功效，并采用兩層套裝整體式成型工藝以實現(xiàn)燒蝕層和隔熱層一體化，安全、可靠且效率高。

(2)通過功能分區(qū)形成外燒蝕層和內(nèi)隔熱層一體成型結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效實現(xiàn)輕質(zhì)化，外層采用編織織物預(yù)成型可以較好的實現(xiàn)外部抗高溫?zé)g，織物工藝可易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，密度可以控制在1650～1750kg/m³之間，內(nèi)層采用有機纖維類輕質(zhì)高效隔熱材料可以有效實現(xiàn)輕質(zhì)化，密度可以控制在800kg/m³以下。內(nèi)外層采用套裝一體浸漬樹脂固化成型有效實現(xiàn)產(chǎn)品的整體性。

(3)內(nèi)層隔熱層的預(yù)固化度控制要求在80％～90％，預(yù)固化度在80％以下，外層織物套裝后浸樹脂一體固化時不易實現(xiàn)內(nèi)層的輕質(zhì)化和內(nèi)層厚度；預(yù)固化度在90％以上，內(nèi)外層界面融合性差，在高溫受熱條件下易開裂分層，引起結(jié)構(gòu)端面的熱密封等問題。

(4)異型的翻邊結(jié)構(gòu)一方面實現(xiàn)對內(nèi)部承力結(jié)構(gòu)端框免受來自飛行器端頭高溫破壞，另一方面與內(nèi)層隔熱層一體成型保證了結(jié)構(gòu)的整體性，避免飛行器前段的端頭帽與后面端頭體之間需要采用專門的隔熱部件進(jìn)行隔熱保護(hù)，結(jié)構(gòu)上的簡化設(shè)計，提高了連接區(qū)的熱密封可靠性。翻邊厚度控制在8～10mm既滿足隔熱功能的實現(xiàn)又確保結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

(5)外層抗燒蝕層設(shè)計中要確保厚度上實現(xiàn)使用中有1～2mm的剩余未碳化的厚度，確保內(nèi)外層界面結(jié)合牢靠、不分層，有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)端面的熱密封可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明二維示意圖；

圖2為承力結(jié)構(gòu)的工作溫度曲線；

圖3為內(nèi)腔設(shè)備的工作溫度曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明做詳細(xì)說明。

本例中工程設(shè)備要求外圍最高工作溫度達(dá)到近3000℃，長時間工作溫度在1000℃以上，但是其承力結(jié)構(gòu)工作溫度要求在200℃以內(nèi)，內(nèi)部腔內(nèi)設(shè)備工作溫度要求在60℃以內(nèi)，且承力結(jié)構(gòu)為異型，總體指標(biāo)需實現(xiàn)輕質(zhì)化，據(jù)此開展熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通常情況耐高溫和輕質(zhì)化是矛盾的，耐高溫的材料一般較為致密，高效隔熱材料需要輕質(zhì)化。為實現(xiàn)使用結(jié)構(gòu)耐受外部的高溫和內(nèi)部的低溫環(huán)境，考慮熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的功能分區(qū)設(shè)計。熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的表層采用耐燒蝕的高分子復(fù)合材料，利用高分子復(fù)合材料中的樹脂受熱狀態(tài)下首先發(fā)生熱解，產(chǎn)生的熱解氣體通過防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙流向受熱表面，熱解過程以及熱解氣體流向受熱表層的高溫區(qū)域時吸收外部加熱，并對外部加熱產(chǎn)生熱阻塞的效應(yīng)，從而達(dá)到較好抗燒蝕效果；由于從受熱結(jié)構(gòu)的表面到內(nèi)部的溫度逐漸降低，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的適當(dāng)位置采用輕質(zhì)高效隔熱層將傳入內(nèi)部的高溫有效阻擋，有效保護(hù)工程承力結(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設(shè)備的正常工作。

由于表面耐高溫的燒蝕層和內(nèi)部適當(dāng)位置采用的輕質(zhì)高效隔熱層為兩種材料體系，功能上的分區(qū)將降低其整體性，從而影響結(jié)構(gòu)的可靠性，因此在成型上采取兩層材料體系的各自單獨預(yù)先成型后采用整體浸漬樹脂方式，然后在一定的高溫和壓力條件下實現(xiàn)兩種材料界面下分子結(jié)構(gòu)重新交聯(lián)和互相滲透，即采用一體固化成型實現(xiàn)了整體性結(jié)構(gòu)，有效提高其可靠性。

織物工藝的優(yōu)點是可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，因此在熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中針對外層耐燒蝕層采用了多向編織織物，通過織物來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的走向，從而有效實現(xiàn)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的異型，減少因異型結(jié)構(gòu)而需要采用多個零件進(jìn)行拼接而破壞了結(jié)構(gòu)的整體性。

綜上具體：本發(fā)明一種新型燒蝕隔熱功能分區(qū)的整體式異型防熱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括內(nèi)隔熱層2和外燒蝕層1，內(nèi)隔熱層2外形與待防護(hù)部分外形適型，外燒蝕層1采用多向編織織物的方式預(yù)成型后套在內(nèi)隔熱層外，最后內(nèi)隔熱層和外燒蝕層采用整體浸漬樹脂方式一體成型。

為了實現(xiàn)飛行器端頭帽與端頭體之間的隔熱及連接密封，內(nèi)隔熱層在隔熱前端向內(nèi)翻邊，翻邊的厚度為8-12mm。

外燒蝕層選用密度1650～1750kg/m³之間的耐燒蝕材料，例如編織石英纖維/酚醛高分子復(fù)合材料，內(nèi)隔熱層選用密度800kg/m³以下的隔熱材料。采用工程設(shè)計上傳統(tǒng)可行的設(shè)計方法對使用環(huán)境下所選材料的燒蝕層材料的燒蝕量進(jìn)行計算，從安全的角度考慮1～2mm的燒蝕剩余未碳化層厚度，從而確定外層燒蝕層的設(shè)計厚度a。根據(jù)結(jié)構(gòu)工作溫度環(huán)境約束條件，承力結(jié)構(gòu)的工作溫度不超過200℃，內(nèi)腔設(shè)備工作溫度不超過60℃，結(jié)合重量指標(biāo)要求選取合適的內(nèi)部隔熱材料，例如有機纖維類輕質(zhì)高效隔熱材料，對選定的內(nèi)部隔熱材料采用結(jié)構(gòu)溫度場仿真分析工具進(jìn)行熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、承力結(jié)構(gòu)和內(nèi)腔設(shè)備的一體結(jié)構(gòu)溫度場計算，從而確立內(nèi)部輕質(zhì)高效隔熱層厚度b。

為了提高結(jié)構(gòu)的整體性，在內(nèi)隔熱層和外燒蝕層一體成型前，對內(nèi)隔熱層進(jìn)行預(yù)固化，預(yù)固化度80％～90％。

對上述熱防護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成了試驗驗證，驗證結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有可行性和可靠性，驗證試驗包括生產(chǎn)1：1工藝件和地面高溫風(fēng)洞考核試驗，地面風(fēng)洞考核試驗過程中測量試驗件內(nèi)部的溫度場，測量結(jié)果(圖2、圖3所示)表明本發(fā)明結(jié)構(gòu)能夠滿足要求。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。