摘要
树脂传递模塑工艺（RTM）可实现复合材料承力构件高表面质量净尺寸成型。以A配方为树脂基体、3K缎纹碳布为增强材料，采用RTM工艺制备了固体火箭发动机壳体复合裙。分析了A配方的 RTM工艺特性及树脂浇铸体性能，介绍了复合裙注射模具和注射设备，讨论了RTM工艺参数及复合裙材料性能。结果表明：RTM复合裙纤维体积分数达54.5%，联合载荷（轴压+弯矩）条件下轴压达748 kN，弯矩达94 N·m；纯轴压载荷达1 062 kN，纯弯矩载荷达143.1 N·m，壳体复合裙整体强度高，满足设计和使用要求。
关键词
固体火箭发动机壳体连接裙是发动机与级间段连接或与火箭其他舱段部件连接的重要承力结构部件。连接裙在工作时通常要将巨大的推力由发动机或某主结构传递到另一主结构上，这种大载荷推力的传递对连接裙的轴压载荷、弯矩载荷性能提出了很高的要求。早期的固体火箭发动机一般采用铝合金、钛合金材质的连接裙，由于其密度较大使发动机整体惰性质量增加，影响发动机整体性能的发挥。采用比强度高、比模量高的复合材料连接裙（简称复合裙）以降低连接裙的质量，提高连接裙的轴压、弯矩载荷性能，是国内外提高发动机乃至火箭整体性能的有效技术途径之
复合裙主要有实体复合裙与网格结构复合裙两种。实体复合裙与金属裙外形相似，为薄壁圆柱或带法兰翻边薄壁圆柱结构。目前国内复合裙主要采用裙预制成型的方法，即以传统的预浸布带缠绕或铺放/热压罐固化的成型方法制备复合裙毛坯，固化成型后再按复合裙的设计蓝图将毛坯加工成要求尺寸的复合裙，然后在壳体制造过程把复合裙装配到发动机壳体上。预浸布/热压罐工艺在航空、航天领域许多大型承力结构件上得到广泛应
近年来，RTM制件以优异的尺寸公差控制及可确保高表面质量净尺寸成型的优势在航空航天主承力及次承力结构件得到推广应
（1）黏度测试，按GJB1059.2—90,采用NDJ-1型旋转黏度计测试。
（2）力学性能测试，采用WD-1型电子万能材料试验机测试，按GB/T1447—2005、GB/T1448—2005、GB/T1449—2005、GB/T1450.1—2005分别测试复合材料拉伸、弯曲、压缩、剪切性能。
（3）密度测试，按GB/T1463—2005,采用梅特勒天平AG204测试。
（4）含胶量测试，按GB/T3855—2005,采用浓硫酸消化法测试。
（5）玻璃化转变温度Tg, 采用NETZSCH DMA 242C型动态力学分析仪，以DMA法测定。
（6）孔隙率测试，按GB/T3865—2008，采用日本电子扫描显微镜JSM6460LV测试。
制备的Ф1 200 mm壳体RTM复合裙毛坯见
图1 RTM复合裙毛坯
Fig.1 RTM composite skirt blank
RTM树脂选择的首要依据是制品性能，其次是该树脂的工艺性能。树脂基体在很大程度上决定着RTM复合裙的性能，常以树脂浇铸体的拉伸强度及模量、弯曲强度及模量、压缩强度及模量表征材料的抗冲击和疲劳性能，高载荷持久性能，以玻璃化温度Tg表征树脂的耐热性能。
A配方浇铸体性能见
| 拉伸强度/MPa | 拉伸模量/GPa | 断裂伸长率/% | 压缩强度/MPa | 压缩模量/GPa | 弯曲强度/MPa | Tg/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 102 | 4.1 | 3.1 | 155 | 3.52 | 167 | 145 |
| GB/T2568—2008 | GB/T2568—2008 | GB/T2568—2008 | GB/T2569—2008 | GB/T2569—2008 | GB/T2567—2008 | DMA法(3 ℃/min,1 Hz) |
树脂的初始黏度和工艺适用期是选择RTM树脂及其固化体系配方必须考虑的两个工艺参数。对于高纤维体积分数的RTM构件，理想的树脂黏度范围为100~300 mPa·s.树脂黏度大于500 mPa·s时所需注射压力较大而不易实施。对于树脂注射量大于5 kg的复合裙构件，还需考虑树脂的工艺适用期，即注射温度下树脂的黏度达到一定程度而不能持续流过预成型体所需要的时间。
测得15~30 ℃条件下，A配方起始黏度在210~290 mPa·s，3 h后黏度不超过450 mPa·s.表明此配方适合室温条件下注射成型。树脂起始黏度较低主要是配方中采用了低黏度的TDE-85、6360、660环氧组分。长达3 h的工艺适用期主要是配方采用了固化速率较缓慢的固化剂DDM、MOCA体系,减缓了室温下树脂因凝胶反应而黏度增加的速率。
RTM注射成型不仅需要根据树脂黏度-温度特性选择合适的注射温度，还需根据树脂的工艺适用期、预制体和产品结构选择合适的注射压力、注射流量。由Henry
| （1） |
式中，μ为树脂黏度，K为(玻璃纤维、碳纤维等)介质的渗透率，Δp为压力梯度或大气压力与空腔内部之间的压力差，v为体积平均流体速度。
从方程（1）可以看出树脂黏度与树脂流动速度成反比，树脂黏度越高，树脂流动速度越慢，增强材料浸润时间越长；材料的渗透率越大、压力差越大，树脂流动越快，增强材料浸润时间越短。因此，理论上来说，要想优化注射过程，需要树脂黏度低、材料易渗透、压力差尽可能大。
A配方在15~30 ℃下的黏度满足注射工艺要求，注射温度可选室温。在恒定注射压力情况下，随着树脂流动距离的增加，流动速率将减慢；在恒定注射流量时，流体的背压力随着树脂流动的横向距离增加而增加。为保证树脂在模腔内流动充模并实现预制体纤维束间、纤维束内良好浸润，复合裙采用恒流注射与恒压注射两种模式来关联控制，在限定注射压力内调节流动速度，在限定流动速度内调节注射压力，树脂注射压力先低后高、树脂流动速度先高后低。
材料、注射设备、模具是成功进行RTM制造的三个重要部分。设备的功能要求主要根据制件的结构尺寸、材料的工艺特点确定：A配方为室温注射，中温（140~160 ℃）固化的单组分配方，复合裙构件纤维体积分数要求高，应选用可实现恒流注射与恒压注射关联控制的单组份活塞泵式注射机，设备最大注射流量2 L/min,最大注射压力3 MPa；设备可对注射压力、注射流量、注射量进行精确控制，还可对树脂进行抽真空除气泡等预处理。
为实现复合裙裙身净尺寸成型和制品高尺寸精度，复合裙采用内外钢模结构。模具注胶口和出胶口的工艺设计与定位是保证模腔内树脂均匀流动并浸渍干性增强材料的关键，理想的注胶口和出胶口设计，可在保证树脂对增强材料良好浸润的前提下，获得最短的充模时间和最小的充模压力。对于带翻边结构薄壁圆筒复合裙，环向均布的多个注胶口设计在带内翻边一侧，靠近制件轴心；环向均布的多个出胶口设计在每条流道的最远端，即复合裙裙尖的底端圆周外侧；保证树脂环向、径向、轴向等距离均匀流动，充分浸润干性增强材料。
纤维体积分数是决定材料结构强度的重要因素，碳纤维织物复合材料结构的名义纤维体积分数应为54%~58
| Vf=（nAw）/(tρf) | (2) |
式中，Vf为纤维体积分数，n为铺层数，Aw纤维面密度，t为制件厚度，ρf为纤维密度。
孔隙是RTM复合材料最常见的质量缺陷之一，孔隙的存在对复合材料的压缩强度和层间剪切性能影响十分显著。显微镜法（GB3365—2008）测试材料的孔隙率为1.9%，低于预浸布铺层复合材料的孔隙率3.1%。这主要是复合裙制备过程采用了树脂配方真空除泡、注射管路系统密封检漏、注射过程采用“憋胶”和“放胶”工艺以及抽真空辅助RTM工艺等措施，有效降低了材料孔隙率。
3K五枚缎纹碳布/A配方环氧RTM复合材料性能见
| 经向拉伸 | 纬向拉伸 | 经向弯曲 | 纬向弯曲 | 经向压缩 | 纬向压缩 | 层间剪切 强度/MPa | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | |
| 500 | 56 | 700 | 74 | 550 | 47 | 680 | 71 | 450 | 50 | 550 | 60 | 50 |
从
T300级的3K五枚缎纹碳布经向断裂强力≥2.2 kN，纬向断裂强力≥3.5 kN。纬向断裂强力比经向高50%以上，因此，复合裙轴向以纬向铺层为主对提高复合裙的轴向拉伸和压缩性能有利。沿复合裙轴向采用4层纬向（90°）/1层经向（0°）的铺层设计，不仅提高了复合裙的轴压性能且可减少复合裙的翘曲变形。
以A配方为树脂基体，3K五枚缎纹碳布为增强材料，采用RTM工艺制备带内翻边结构复合裙，实现了带内翻边结构复合裙整体成型，构件整体强度高；复合裙裙身圆柱段可实现内外径净尺寸成型；制品孔隙率低、纤维体积分数高、力学性能优异；与传统铝合金、钛合金材质的固体火箭发动机壳体连接裙相比，复合裙具有高比强度、比模量，可以较大幅度减轻发动机结构质量，提高发动机的质量比。
参考文献
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