航天复合材料成型工艺概述

《航天复合材料成型工艺概述》课程大作业题目：__碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程____________姓名：________王志强_________学号：_____1120830218________授课教师：_______刘俊岩___________哈尔滨工业大学航空宇航制造系2016年4月2日得分1、引言碳纤维复合材料在航天、军工、电子、等等诸多领域都有着很广泛的应用。尤其是碳纤维复合材料杆件是航空航天结构中最重要的组成部分，常用于飞机和航天器的内部骨架以及发动机等零件的固定支架等。碳纤维复合材料的强度要高于铜，自身重量却小于铝，在与玻璃纤维相比，碳纤维还有高强度、高模量的特点，是非常优秀的增强型材料。它不仅可以对塑料、金属、陶瓷等材料进行增强。还可以作为新型的非金属材料进行应用，它的组要特点有；高强度、耐疲劳、抗蠕变、导电、高模量、抗高温、抗腐蚀、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能。此外，缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带、预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品的工艺过程，具有比强度高、可靠性高、生产效率高、成本低等优点。本文对碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程进行介绍。2、缠绕成型工艺过程缠绕成型是将连续纤维浸树脂胶后按照预定角度缠绕到芯模上，然后得到成品。工艺优点是缠绕成形工艺效率高，可使制品最大限度地获得所要求的结构性能。碳纤维缠绕成型航天器储罐的工艺过程如图1。图1缠绕成型工艺过程2.1缠绕成型碳纤维缠绕成型可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，因此应用较为广泛，图2为湿法缠绕体系工艺图。湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。国际上较先进的六维缠绕技术能够很好地控制纤维走向，实现环向缠绕、旋向缠绕以及平面缠绕相结合。实际生产中多采用旋向缠绕与环向缠绕相结合的方式，环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力，旋向缠绕可提供纵向应力，提升气瓶整体性能。图2湿法缠绕工艺图纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性，根据其结构要求，通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况，进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构，选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型，不仅满足强度要求，同时使封头处能够合理铺覆。为了实现稳定缠绕，缠绕角度要使纤维在芯模表面落纱稳定且满足不打滑、不架空两方面的要求。给纤维施加一定的缠绕张力，在浸胶槽浸润树脂后，通过缠绕设备缠绕到芯模内衬上，最后通过烘箱旋转固化得到制品。2.2芯模制备碳纤维缠绕成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。2.3缠绕机缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。为了消除绕丝嘴反向运动时纤维松线，保持张力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确，实现小缠绕角（0°～15°）缠绕，在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给（伸臂）机构。为防止绕丝嘴反向运动时纱带转拧，伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构。机械式缠绕机类型：（1）绕臂式平面缠绕机其特点是绕臂（装有绕丝嘴）围绕芯模做均匀旋转运动，芯模绕自身轴线作均匀慢速转动，绕臂（即绕丝嘴）每转一周，芯模转过一个小角度。此小角度对应缠绕容器上一个纱片宽度，保证纱片在芯模上一个紧挨一个地布满容器表面。芯模快速旋转时，绕丝嘴沿垂直地面方向缓慢地上下移动，此时可实现环向缠绕，使用这种缠绕机的优点是，芯模受力均匀，机构运行平稳，排线均匀，适用于干法缠绕中小型短粗筒形容器。（2）滚翻式缠绕机这种缠绕机的芯模由两个摇支承，缠绕时芯模自身轴旋转，两臂同步旋转使芯模翻滚一周，芯模自转一个与纱片宽相适应的角度，而纤维纱由固定的伸臂供给，实现平面缠绕，环向缠绕由附加装置来实现。由于滚翻动作机构不宜过大，故此类缠绕机只适用于小型制品，且使用不广泛。（3）卧式缠绕机这种缠绕机是由链条带动小车（绕丝嘴）作往复运动，并在封头端有瞬时停歇，芯模绕自身轴作等速旋转，调整两者速度可以实现平面缠绕、环向缠绕和螺旋缠绕，这种缠绕机构造简单，用途广泛，适宜于缠绕细长的管和容器。（4）轨道式缠绕机轨道式缠绕机分立式和卧式两种。纱团、胶槽和绕丝嘴均装在小车上，当小车沿环形轨道绕芯模一周时，芯模自身转动一个纱片宽度，芯模轴线和水平面的夹角为平面缠绕角。从而形成平面缠绕型，调整芯模和小车的速度可以实现环向缠绕和螺旋缠绕。轨道式缠绕机适合于生产大型制品。（5）行星式缠绕机芯轴和水平面倾斜成缠绕角。缠绕成型时，芯模作自转和公转两个运动，绕丝嘴固定不动。调整芯模自转和公转速度可以完成平面缠绕、环向缠绕和螺旋缠绕。芯模公转是主运动，自转为进给运动。这种缠绕机适合于生产小型制品。（6）球形缠绕机球形缠绕机有4个运动轴，球形缠绕机的绕丝嘴转动，芯模旋转和芯模偏摆，基本上和摇臂式缠绕机相同，第四个轴运动是利用绕丝嘴步进实现纱片缠绕，减少极孔外纤维堆积，提高容器臂厚的均匀性。芯模和绕丝嘴转动，使纤维布满球体表面。芯模轴偏转运动，可以改变缠绕极孔尺寸和调节缠绕角，满足制品受力要求。（7）电缆式纵环向缠绕机纵环向电缆式缠绕机适用于生产无封头的筒形容器和各种管道。装有纵向纱团的转环与芯模同步旋转，并可沿芯模轴向往复运动，完成纵向纱铺放，环向纱装在转环两边的小车上，当芯模转动，小车沿芯模轴向作往复运动时，完成环向纱缠绕。根据管道受力情况，可以任意调整纵环向纱数量比例。（8）新型缠管机新型缠管机与现行缠绕机的区别在于，它是靠管芯自转，并同时能沿管长方向作往复运动，完成缠绕过程。这种新型缠绕机的优点是，绕丝嘴固定，为工人处理断头、毛丝以及看管带来很大方便；多路进纱可实现大容量进丝缠绕，缠绕速度快，布丝均匀，有利于提高产品重量和产量。3、总结随着对航空航天结构材料的需求提高，碳纤维缠绕成型在航天器储罐的加工工艺过程中的应用越来越重要，我们对该工艺过程的研究的意义凸显，进一步提高碳纤维缠绕成型的效率。4、参考文献[1]陈烈民.复合材料在航天结构中的应用研究[J].宇航材料工艺，1994年06期.[2]白侠，李辅安，李崇俊，等.纤维单向缠绕成型锥形壳体的研究［J］．玻璃钢/复合材料，2007，05:39-42．[3]肖颖，史耀耀，常丽丽.复合材料缠绕成形工艺研究［J］．电加工与模具，2007，5:56-60．