陳 錳,楊躍東,柳 林,趙曉剛,楊書文,趙海娥,周群凱,黃升波,李永輝

(西安現(xiàn)代控制技術研究所,西安 710065)

0 引言

發(fā)射筒是筒裝導彈的重要組成部分,發(fā)射筒一般應具有防震、低摩擦、耐磨、耐燒蝕、耐沖刷和電磁屏蔽的能力[1-2]。目前,導彈武器系統(tǒng)的發(fā)射筒身管一般都采用玻璃纖維、碳纖維或者混雜纖維增強樹脂基復合材料制備,例如我國的紅箭-8、紅箭-9、某型防空導彈、超高速動能導彈等導彈武器系統(tǒng)[3-5]。

在××型導彈項目中,導彈出筒時需具備一定轉(zhuǎn)速和初速,若無賦旋層,賦旋刀直接繞著玻璃纖維/環(huán)氧樹脂旋轉(zhuǎn),導彈受到反作用力較大,會造成導彈難以達到預定轉(zhuǎn)速和初速,并且可能造成發(fā)射筒前沖,嚴重情況下會危及人身安全。因此,研究者設想在發(fā)射筒內(nèi)部鋪設一層可以對導彈產(chǎn)生較小作用力的賦旋層,經(jīng)過前期工藝摸索,選定了棉布/酚醛樹脂復合材料(cotton cloth reinforced phenolic resin composite,CRPC)作為賦旋層材料。在初期采用CRPC制備賦旋層時,出現(xiàn)了圖1所示的內(nèi)壁起皺現(xiàn)象,嚴重影響發(fā)射筒外觀和性能,極有可能造成導彈出筒不暢,不能按照預設軌道正常飛行。

圖1 發(fā)射筒賦旋層內(nèi)壁

文中研究通過設計棉布纏繞工裝,解決CRFP手工鋪設過程棉布難以均勻鋪展造成的內(nèi)壁褶皺現(xiàn)象,同時對工藝改善前后的發(fā)射筒層間剪切強度進行研究。

1 試驗

1.1 原材料

酚醛樹脂為西安西電電工材料廠生產(chǎn)。耐高溫環(huán)氧樹脂體系使用E51環(huán)氧樹脂,70酸酐,N-N′二甲基芐胺按照一定比例配比而成,其中E51為南通星辰合成材料廠生產(chǎn),70酸酐為天津晶東化學復合材料公司生產(chǎn),N-N′二甲基芐胺為上海三愛思試劑有限公司生產(chǎn)。玻璃纖維采用TS-480型號,為南京玻璃纖維研究院生產(chǎn)。

1.2 儀器設備

發(fā)射筒芯模為自制,其形狀規(guī)格如圖2所示。纏繞機使用連云港維德復合材料有限公司生產(chǎn)的PL300型三維兩軸纏繞機。脫管機為G415型,沈陽電工機械廠生產(chǎn)。烘箱為DG型,寧波紅菱電熱烘箱廠生產(chǎn)。層間剪切強度分別采用WE-10B,INstron 5966試驗機測試。

圖2 發(fā)射筒芯模示意圖

1.3 發(fā)射筒制備

如圖3所示為含賦旋結(jié)構發(fā)射筒制備步驟[6],具體為:準備好芯模,原材料,設定好纏繞程序,讓芯模在纏繞機上勻速轉(zhuǎn)動。將浸漬過酚醛樹脂的棉布平整的鋪層在芯模表面至一定厚度,按照圖4所示工藝,對賦旋層固化,并將固化后的賦旋層車加工至指定厚度。接下來將玻璃纖維纏繞在賦旋層表面至指定厚度后高溫固化,其中酚醛樹脂固化溫度為:RT→40 ℃(1h)→90 ℃(0.5h)→130 ℃(2h)→自然冷卻至室溫,環(huán)氧樹脂固化溫度為:RT→90 ℃(3h)→125 ℃(2h)→165 ℃(3h)→自然冷卻至室溫,兩種樹脂升溫速率均為5 ℃/min。

固化后將發(fā)射筒表面車加工至要求尺寸再按照產(chǎn)品圖裝配滑塊、機電安裝座等零部件,待包纏固化后銑加工零件至指定尺寸。最后對其表面噴漆、噴標識,經(jīng)檢驗合格后交付。

1.4 鋪層工藝改善

前期制備過程中,棉布鋪層過程由工人手工操作,制備出來的發(fā)射筒賦旋層內(nèi)壁出現(xiàn)嚴重溝槽(圖1),嚴重影響交付使用。這主要是由于該項目發(fā)射筒芯模較長(>3 m),操作人員采用手工無法將棉布水平均勻鋪設在芯模表面,進而再對其進行纖維環(huán)向纏繞后容易形成褶皺,造成產(chǎn)品內(nèi)壁褶皺。經(jīng)研究討論,設計出如圖4所示的工裝。工裝內(nèi)卡環(huán)與芯模配合,外環(huán)與內(nèi)卡環(huán)用鍵固定,防止在賦旋層鋪層過程中,工裝環(huán)向轉(zhuǎn)動。工裝外環(huán)側(cè)面均布有3個蝶形螺母,用以棉布纏繞過程中調(diào)節(jié)工裝軸向位置,將棉布均勻固定在芯模。圖5為工裝使用過程實物圖,由圖可見棉布經(jīng)銷釘固定后平整地均勻分布在芯模表面。圖6為棉布纏繞工藝改善前后發(fā)射筒內(nèi)壁對比,由圖可見改善賦旋層纏繞工藝后發(fā)射筒的內(nèi)壁得到較大改善。

圖3 含賦旋結(jié)構發(fā)射筒制備步驟

圖4 卷纏工裝實物圖

圖5 賦旋層鋪層圖

1.5 性能測試及分析

研究中采用兩種常用方法測試賦旋層與纖維纏繞層層間剪切強度,具體如下:

參照GB/T1450.1—2005取樣測定賦旋層和纖維纏繞層層間剪切強度,隨機取樣工藝改善前后兩個發(fā)射筒,在每個發(fā)射筒上等量分別截取50 mm長試樣7個。將每組試樣兩端車加工掉內(nèi)層酚醛棉布復合材料層,中間保留內(nèi)層酚醛棉布復合材料層長度10 mm。測試溫度為23 ℃,濕度50% RH,加載速度10 mm/min。從表1中可見,改善前復合材料層間剪切強度為(5.06±0.92) MPa,改善后達到(10.80±2.59) MPa,強度提升了113.4%。

圖6 改善前后內(nèi)壁對比圖

編號層間剪切強度/MPa改善前改善后16.4814.924.789.4233.837.7145.4510.4256.109.8064.6814.5374.108.85平均值5.06±0.9210.80±2.59

圖7 層間剪切強度實驗前后對比圖

參照JC/T773—2010取樣測定賦旋層剪切強度,試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm(長×寬×高),跨距為10 mm,由于峰值應力發(fā)生在加載壓頭附近,因此測試會產(chǎn)生高剪切和相對低的彎曲載荷。具體制樣方法為:將發(fā)射筒外表面玻璃纖維層車加工,僅保留內(nèi)層酚醛棉布復合材料層和與之相鄰環(huán)氧玻璃纖維層,沿發(fā)射筒軸向等長度分別取樣10個。測試溫度為23 ℃,濕度50% RH,加載速度1 mm/min。經(jīng)測試,改善前復合材料層間剪切強度為(13.42±2.18) MPa,改善后達到(22.01±2.92) MPa,強度提升了64%。

經(jīng)分析,工藝改善前內(nèi)壁存在的褶皺現(xiàn)象易造成賦旋層與纏繞層界面出現(xiàn)空隙、氣泡、分層等缺陷,進而降低了賦旋層與纖維纏繞層結(jié)合強度,導致層間剪切強度下降。經(jīng)改善后,消除了內(nèi)壁褶皺現(xiàn)象,從而減少了界面之間的缺陷數(shù),提高了復合材料層間剪切強度[7-8]。

表2 參考標準JC/T773—2010下工藝改善前后層間剪切強度對比

2 結(jié)論

通過研制棉布纏繞工裝,改善了賦旋層纏繞過程中棉布難以均勻貼覆在芯模表面的問題,進而降低了賦旋層與纏繞層界面缺陷,增強了界面結(jié)合強度。經(jīng)由兩種不同標準方法測定,經(jīng)上述工藝改善后,發(fā)射筒的層間剪切強度分別提高了113.4%和64%。