一种脉冲发动机用柔性编织软隔层及制造方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲发动机用柔性编织软隔层及制造方法，属于功能材料领域。
背景技术
多脉冲发动机是一种能多次启停的新型固体火箭发动机，其具有较高的可控性，可以有效减少导弹飞行速度及气动阻力峰值，提高导弹末段速度、射程、命中率和突防能力。其中，脉冲隔离装置是多脉冲固体发动机的核心组成部分，它把燃烧室内推进剂隔离成多个推进剂单元，各个推进剂单元实现分别点火燃烧。隔离装置的主要作用是防止某个推进剂单元被点燃后其燃气侵入到其他推进剂单元内，从而保证各个推进剂单元的独立性。脉冲隔离装置不仅要求耐压、绝热和承载要求，还要具备刚度/变强度，以保证安全可靠的打开。
传统的脉冲固体发动机用隔离装置为隔舱式，隔舱式间隔装置一般采用金属等硬质材料，通过隔舱组件将燃烧室分隔成多个独立的燃烧室，隔舱组件既要承力又要隔热，需要辅助绝热装置，结构复杂且笨重，增加了发动机整体的消极质量。而隔层式间隔装置一般为柔性材料，可同时起阻燃和隔热作用，结构简单轻便。芳纶纤维增强橡胶复合材料的柔性软隔层具有高强度、高模量、低密度、耐高温、化学稳定性好和抗烧蚀等一系列优异特点，是多脉冲固体火箭发动机脉冲隔离装置的理想选材。
在多脉冲发动机软隔层中，主要包括柱段和锥段两部分。其中锥段的压力主要来自二脉冲药柱，柱段部分主要受来自发动机一脉冲点火以及正常工作时的压力。目前，用于脉冲发动机软隔层的纤维增强形式主要是缠绕和短纤，多为均一参数结构，且无法满足软隔层不同位置对刚度及强度的不同需求。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明提供一种脉冲发动机用柔性编织软隔层及制造方法。本发明基础材料选用杂环芳纶纤维和绝热、耐腐蚀橡胶基体，预制体隔层柱段和预制体隔层锥段分别采用三维机织和二维针织，并通过与橡胶基体模压工艺，实现脉冲发动机柔性编织软隔层的制备，以满足脉冲发动机软隔层耐压、绝热和承载要求，解决软隔层不同位置刚度及承载能力需求的问题。
采用机织、编织和针织等方法可将高性能芳纶纤维按照一定的交织规律加工成二维或三维形式纺织预制增强体，并以此作为复合材料的增强结构。同时，纺织预成型技术可根据复合材料构件的最终外形和尺寸，巧妙地借助变化纱线的排列或数量(变截面或变厚度)，直接成形软隔层圆筒、圆锥等形状，进而实现变刚度/强度要求，还可在最大限度内减少复合材料构件的机械加工程度，保持增强纤维的连续性，满足耐压、绝热、承载等要求。
本发明的第一个目的是提供一种脉冲发动机用柔性编织软隔层，包括隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段三部分，所述隔层柱段、隔层锥段之间通过连接件连接；其中，所述的隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段三部分分别是预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段通过模压成型工艺得到的；所述的预制体隔层柱段采用整体变厚度2.5D结构编织，预制体隔层水平段和预制体隔层锥段采用经编或纬编一体化编织。
在本发明的一种实施方式中，预制体隔层水平段和预制体隔层锥段是一体编织的，中间不需要连接件。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段的编织经密为：单位宽度(10cm)经纱根数为14-70，纬密为：单位宽度(10cm)纬纱根数为22-132。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段的编织中经纱层数为1-5层，纬纱层数为2-6层(层数和厚度是对应的)。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段的编织厚度为0.5-3.5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层锥段的编织厚度为0.5-3.5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段的变厚度2.5D结构编织工艺包括层层角联锁、贯厚度角联锁中的一种或者两种以上。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段的具体编织方式为：根据隔层柱段内部承压要求(最强段环向服役内压不小于22MPa，最强段轴向服役内压不小于11MPa)，进行预制体隔层柱段结构及参数设计：预制体隔层柱段沿着长度方向采用变厚度2.5D机织结构：靠近预制体隔层锥段一侧0-230mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数56，经纱层数4，单位宽度(10cm)纬纱根数110，纬纱层数5层，此部分厚度为2.5mm；230-350mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数42，经纱层数3，单位宽度(10cm)纬纱根数88，纬纱层数4层，此部分厚度为2.0mm；350-460mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数28，经纱层数2，单位宽度(10cm)纬纱根数66，纬纱层数3层，此部分预制体厚度为1.5mm；
或，所述的预制体隔层柱段的具体编织方式为：根据隔层柱段内部承压要求(最强段环向服役内压不小于22MPa，最强段轴向服役内压不小于11MPa)：预制体隔层柱段沿着长度方向采用变厚度2.5D机织结构：靠近预制体隔层锥段一侧0-400mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数70，经纱层数5，单位宽度(10cm)纬纱根数132，纬纱层数6层，此部分厚度为3.5mm；400-600mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数56，经纱层数4，单位宽度(10cm)纬纱根数110，纬纱层数5层，此部分厚度为3.0mm；600-800mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数42，经纱层数3，单位宽度(10cm)纬纱根数88，纬纱层数4层，此部分预制体厚度为2.5mm。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段直径为50mm-300mm，长度为150mm-1000mm，厚度为0.5mm-3.5mm；具体根据脉冲发动机的要求确定，所述的直径均为外径。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层锥段最大直径为500mm，最小直径为30mm，长度为150mm-1000mm，厚度为0.5mm-3.5mm；具体根据脉冲发动机的要求确定，所述的直径均为外径。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层锥段采用针织纬平针编织。
在本发明的一种实施方式中，所述预制体隔层锥段所使用的针织机器机号：E6；喂入方式采用单纱喂入；两功位(成圈和浮线、成圈和集圈)。
在本发明的一种实施方式中，所述的连接件为胶圈、内螺纹、外螺纹、内卡键、钢丝挡圈、嵌钢丝、法兰、外卡键或拉杆等多种连接形式中的一种或者两种以上。
在本发明的一种实施方式中，所述的模压成型工艺具体为：首先将柔性编织软隔层预制体(预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段)分别铺放到闭合模具中，在一定压力下注入橡胶基体原材料，使橡胶基体充分浸润预制体，之后将浸渍橡胶后的编织软隔层预制体于模压工艺温度50-200℃，模压时间2-10小时，模压压力0.5-10MPa的条件下成型，含胶量保持在40-60％，最后脱模得到隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段复合材料制品。
在本发明的一种实施方式中，所述橡胶为绝热、耐腐蚀的热塑性橡胶，具体为三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶、丁苯橡胶、聚烯烃橡胶中的一种或者两种以上，优选为三元乙丙橡胶。
在本发明的一种实施方式中，所述的预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段的基础材料为杂环芳纶纤维，具体为强度大于25cN/dtex，初始模量大于750cN/dtex,热分解温度大于400℃的芳纶纤维；优选为，芳纶1313、芳纶1414，更优选为芳纶1414纤维。
本发明的第二个目的是一种脉冲发动机用柔性编织软隔层的制备方法，包括以下步骤：
将柔性编织软隔层预制体分别铺放到闭合模具中，在一定压力条件下注入橡胶基体原材料，使橡胶基体充分浸润柔性编织软隔层预制体，之后将浸渍橡胶后的柔性编织软隔层预制体于模压工艺温度50-200℃，模压时间2-10小时，模压压力0.5-10MPa，含胶量保持在40％-60％的条件下，得到隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段；最后将隔层柱段、隔层锥段通过连接件连接而成脉冲发动机用柔性编织软隔层。
在本发明的一种实施方式中，所述柔性编织软隔层预制体是利用变厚度2.5D编织技术和针织技术分别对预制体隔层柱段，预制体隔层锥段和预制体隔层水平段进行一体化编织得到的。
在本发明的一种实施方式中，所述柔性编织软隔层预制体包括预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段三部分。
在本发明的一种实施方式中，所述的柔性编织软隔层预制体的基础材料为杂环芳纶纤维，具体为强度大于25cN/dtex，初始模量大于750cN/dtex，热分解温度大于400℃的芳纶纤维；优选为，芳纶1313、芳纶1414，更优选为芳纶1414纤维。
在本发明的一种实施方式中，所述橡胶为绝热、耐腐蚀的热塑性橡胶，具体为三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶、丁苯橡胶、聚烯烃橡胶中的一种或者一种以上，优选为三元乙丙橡胶。
在本发明的一种实施方案中，所述橡胶基体的体积占脉冲发动机用柔性编织软隔层体积的40～60％，优选45％。
本发明的第三个目的是本发明所述的脉冲发动机用柔性编织软隔层在多脉冲发动机中的应用。
本发明的技术效果如下：
(1)本发明所述的脉冲发动机用柔性编织软隔层选用杂环芳纶纤维和绝热、耐腐蚀橡胶基体，预制体隔层柱段和预制体隔层锥段分别采用2.5D机织和二维针织，并通过与橡胶基体模压工艺，实现脉冲发动机柔性编织软隔层的制备，以满足脉冲发动机软隔层耐压、绝热和承载要求，解决软隔层不同位置刚度及承载能力需求的问题。
(2)本发明所述的脉冲发动机用柔性编织软隔层承压20MPa以上，承压时间30s以上，耐热温度560℃以上。
附图说明
图1是软隔层的结构示意图；结构1是隔层水平段，结构2是隔层锥段，结构3是连接件，结构4是隔层柱段。
图2是软隔层预制体柱段密度、厚度、层数变化示意图；结构3是连接件，结构4是预制体隔层柱段。
图3是软隔层预制体锥段和预制体水平段的结构示意图；结构1是预制体隔层水平段，结构2是预制体隔层锥段。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。所述的直径均为外径。
承压试验：任意选取一个已经制作完毕并装配好的软隔层放入压力罐中，按照国标(沿着软隔层同一环向每隔90°贴一个应力片，共4个，用于感知应力大小)的规定进行压力试验。试验时从0Mpa开始以2Mpa的压力逐渐升压至设计压力，保压5分钟，如果无任何异常情况，继续慢慢升压，直达软隔层爆破为止，此处的压力即为损伤容限。
承压时间：软隔层所能承受损伤容限的时间。
热性能试验：任意选取一个已经制作完毕并装配好的软隔层放入热失重分析仪的陶瓷坩埚中，将陶瓷坩埚放于测试杆上，盖上炉盖。测试条件：从30℃升温至1500℃，升温速率10℃/min，N2气氛。实验数据处理得到DTG曲线，曲线峰值(初始分解温度)即为软隔层的最高耐热温度。
实施例1
本实施例中的脉冲发动机软隔层预制体隔层水平段长度30mm，预制体隔层锥段长度为150mm，预制体隔层柱段长度为460mm；预制体隔层锥段最大直径324mm，预制体隔层锥段最小直径103mm，预制体隔层柱段直径103mm；预制体隔层锥段横向投影长度93.1mm，连接角度47.7°；纤维选择芳纶1414，橡胶基体选择三元乙丙橡胶，基体含量为60％。
具体制备步骤为：
(1)如图1所示，为软隔层的结构示意图。从图1可以看出：所述脉冲发动机软隔层主要包括1隔层水平段、2隔层锥段、3连接件、4隔层柱段三部分，所述隔层柱段、隔层锥段之间通过连接件连接；预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段均为芳纶纤维增强三元乙丙基复合材料。
(2)根据软隔层柱段内部承压要求(最强段环向服役内压不小于22MPa，最强段轴向服役内压不小于11MPa)，进行软隔层柱段结构及参数设计：预制体隔层柱段沿着长度方向采用变厚度2.5D机织结构：靠近预制体隔层锥段一侧0-230mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数56，经纱层数4，单位宽度(10cm)纬纱根数110，纬纱层数5层，此部分厚度为2.5mm；230-350mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数42，经纱层数3，单位宽度(10cm)纬纱根数88，纬纱层数4层，此部分厚度为2.0mm；350-460mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数28，经纱层数2，单位宽度(10cm)纬纱根数66，纬纱层数3层，此部分预制体厚度为1.5mm；
(3)所述预制体隔层锥段以针织结构编织，此部分厚度为2.5mm，机号E6；单纱喂入。
(4)利用变厚度2.5D编织技术和针织技术对预制体隔层锥段、预制体隔层水平段进行一体化编织，预制体隔层柱段单独编织，获得软隔层预制体；所述预制体隔层柱段采用分层接结的方法，将各相邻纱线层进行接结的层层角联锁结构；所述软预制体隔层柱段的变厚度2.5D编织技术主要通过改变编织厚度、密度实现；所述预制体隔层锥段以针织纬平针结构编织。
(5)以三元乙丙为基体原材料，采用模压成型工艺使橡胶充分浸渍以上整个软隔层预制体(预制体包括预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段)，浸渍橡胶后的软隔层于80℃、8MPa模压压力下固化8小时后成型，含胶量保持在60％，得到隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段。
(6)将步骤(5)得到的隔层柱段、隔层锥段通过胶圈连接；得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
所得脉冲发动机用柔性编织软隔层的承压为22MPa，承压时间为30s，耐热温度为560℃。
实施例2
本实施例中的脉冲发动机软隔层预制体隔层水平段长度50mm，预制体隔层锥段长度为300mm，预制体隔层柱段长度为800mm；预制体隔层锥段最大直径600mm，预制体隔层锥段最小直径220mm，预制体隔层柱段直径220mm；预制体隔层锥段横向投影长度180mm，连接角度47.7°；纤维选择芳纶1414，橡胶基体选择三元乙丙橡胶，基体含量为60％。
(1)一种固体火箭多脉冲发动机用复合材料软隔层，所述脉冲发动机软隔层主要包括隔层水平段、隔层锥段、隔层柱段三部分，所述隔层柱段、隔层锥段之间通过连接件连接；预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段均为芳纶纤维增强三元乙丙基复合材料。
(2)根据软隔层柱段内部承压要求(最强段环向服役内压不小于22MPa，最强段轴向服役内压不小于11MPa)：预制体隔层柱段沿着长度方向采用变厚度2.5D机织结构：靠近预制体隔层锥段一侧0-400mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数70，经纱层数5，单位宽度(10cm)纬纱根数132，纬纱层数6层，此部分厚度为3.5mm；400-600mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数56，经纱层数4，单位宽度(10cm)纬纱根数110，纬纱层数5层，此部分厚度为3.0mm；600-800mm长度内，单位宽度(10cm)经纱根数42，经纱层数3，单位宽度(10cm)纬纱根数88，纬纱层数4层，此部分预制体厚度为2.5mm。
(3)所述预制体隔层锥段以针织结构编织，此部分厚度为3.5mm；机号E6；单纱喂入。
(4)利用变厚度2.5D编织技术和针织技术对预制体隔层锥段、预制体隔层水平段进行一体化编织，预制体隔层柱段单独编织，获得软隔层预制体；所述柱段采用接结纱倾斜贯穿整个厚度的方向的贯穿角联锁结构；所述软隔层柱段预制体变厚度2.5D编织技术主要通过改变编织厚度、密度实现；所述预制体隔层锥段以针织纬平针结构编织。
(5)以三元乙丙为基体原材料，采用模压成型工艺使橡胶充分浸渍以上整个软隔层预制体(预制体包括预制体隔层柱段、预制体隔层锥段、预制体隔层水平段)，浸渍橡胶后的软隔层于100℃、6MPa模压压力下固化10小时后成型，含胶量保持在60％，得到隔层柱段、隔层锥段、隔层水平段。
(6)将步骤(5)得到的隔层柱段、隔层锥段通过内螺纹连接，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
所得脉冲发动机用柔性编织软隔层的承压为45MPa，承压时间为58s，耐热温度为1200℃。
实施例3
本实施例中的脉冲发动机软隔层预制体隔层水平段长度50mm，预制体隔层锥段长度为300mm，预制体隔层柱段长度为800mm；预制体隔层锥段最大直径600mm，预制体隔层锥段最小直径220mm，预制体隔层柱段直径220mm；预制体隔层锥段横向投影长度180mm，连接角度47.7°；纤维选择芳纶1313纤维，橡胶基体选择聚氨酯橡胶，基体含量为60％。
制备方法与实施例2一致，所得脉冲发动机用柔性编织软隔层的承压为38MPa，承压时间为44s，耐热温度为1000℃
实施例4
本实施例中的脉冲发动机软隔层预制体隔层水平段长度50mm，预制体隔层锥段长度为300mm，预制体隔层柱段长度为800mm；预制体隔层锥段最大直径600mm，预制体隔层锥段最小直径220mm，预制体隔层柱段直径220mm；预制体隔层锥段横向投影长度180mm，连接角度47.7°；纤维选择芳纶1414纤维，橡胶基体选择三元乙丙橡胶，基体含量为40％。
制备方法与实施例2一致，所得脉冲发动机用柔性编织软隔层的承压为40MPa，承压时间为42s，耐热温度为1100℃。
图2是软隔层预制体柱段密度、厚度、层数变化示意图。从图2可以看出：软隔层预制体柱段的密度、厚度、层数从与预制体隔层锥端连接处开始呈逐渐减小变化的2.5D结构，其2.5D编织工艺为角联锁。
图3是软隔层预制体锥段和水平段的结构示意图。从图3可以看出，软隔层预制体锥段、预制体水平段为针织结构。
对照例1
参考文献(范兴贵,许进升,陈雄.双脉冲发动机EDPM软隔层含率相关能量限制器的黏超弹本构模型[J].固体火箭技术,2019,42(03):308-313)中的方法(在橡胶基体里加入填充性纤维(芳纶纤维，酚醛纤维，)制备得到脉冲发动机用柔性软隔层。
对照例2
调整实施例2的预制体隔层柱段单位宽度(10cm)最大经纱根数112，单位宽度(10cm)最大纬纱根数220，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例3
调整实施例2的预制体隔层柱段单位宽度(10cm)最大经纱根数7，单位宽度(10cm)最大纬纱根数22，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例4
调整实施例2的预制体隔层柱段的编织厚度为5mm，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例5
调整实施例2的预制体隔层柱段的编织厚度为0.2mm，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例6
调整实施例2的预制体隔层锥段的编织厚度为0.2mm，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例7
调整实施例2的预制体隔层锥段的编织厚度为5mm，其他参数保持不变，得到脉冲发动机用柔性编织软隔层。
对照例1-7得到的脉冲发动机用柔性编织软隔层的性能测试如表1所示，从表1可以看出：
(1)若采用对照例1的制备方法：在橡胶基体里加入填充性纤维(芳纶纤维，酚醛纤维，)制备得到脉冲发动机用柔性软隔层，其承压能力、承压时间、耐热温度的效果不到实施例中效果的20％；
(2)若预制体柱段、预制体锥段编织厚度过大(5mm)，或者过小(0.2mm)时，都会使得承压能力、承压时间、耐热温度测试效果变差，预制体编织厚度以0.5-3.5mm为宜；
(3)若预制体柱段经密过大(单位宽度经纱根数112)或者过小(单位宽度经纱根数7)时，以及纬密过大(单位宽度纬纱根数220)或者过小(单位宽度纬纱根数22)，也会使得承压能力、承压时间、耐热温度测试效果变差，预制体柱段的编织经密以单位宽度经纱根数14-70为宜；预制体编织以纬密单位宽度纬纱根数22-132为宜。
表1对照例1-7得到的脉冲发动机用柔性编织软隔层的性能测试
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
