航天用短切纖維防熱材料分散裝備的研制與實(shí)踐

羅剛堂，李 琳，伍 昱，李 鵬，洪義強(qiáng)

（1.北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100854；2.中國航天科工運(yùn)載技術(shù)研究院北京分院，北京 100854）

0 引言

短切纖維防熱材料因其成型工藝簡單、成本低，是一種在航天領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛和成熟的一種防熱材料，其通常貼覆在航天飛行器的外表面，通過樹脂的分解、碳化、填料熔融等燒蝕作用帶走飛行器高音速飛行過程中與空氣摩擦而產(chǎn)生的氣動(dòng)熱，以保證飛行器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備儀器工作正常[1，2]。

短切纖維防熱材料通常由樹脂基體、短切纖維、功能填料等組成[1]，可根據(jù)不同的熱環(huán)境要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。各組分通過混合或者捏合設(shè)備混合后形成短切纖維預(yù)混料，由于樹脂的粘性和纖維的纏結(jié)作用，預(yù)混料成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，成型時(shí)，需將這種團(tuán)狀預(yù)混料分散，以保證材料的力學(xué)和防熱性能的均勻性。人工分散是較為傳統(tǒng)的分散方式，但其分散均勻性和一致性差、分散效率低、難以大規(guī)模批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)時(shí)效性和質(zhì)量一致性難以保障。據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，人工分散生產(chǎn)效率僅為1kg/（人·小時(shí)）。

隨著航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，研制開發(fā)一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的短切纖維防熱材料機(jī)械分散裝備具有十分重要的意義。西安航天復(fù)合材料研究所的楊斌[3]等針對短切纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料預(yù)混料，研制了一種二次分散機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了纖維/樹脂兩組分結(jié)構(gòu)類預(yù)混料的分散。然而該設(shè)備分散結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，當(dāng)應(yīng)用在樹脂基體/短切纖維/功能填料類多組分結(jié)構(gòu)短切纖維預(yù)混料分散時(shí)，功能填料將粘結(jié)在分散機(jī)構(gòu)上，造成設(shè)備清理困難。

本文針對短切纖維防熱材料的加工特性開展了研究，提出了一種短切纖維防熱材料的預(yù)混料分散裝備的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化各項(xiàng)工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵零部件的模塊化，最后就該裝備在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)分析。生產(chǎn)驗(yàn)證表明，該分散裝備能夠顯著提高分散均勻性，可使分散效率提高20倍以上。

1 裝備總體設(shè)計(jì)

短切纖維預(yù)混料各組分混合后，由于樹脂的粘性和纖維的纏結(jié)而形成半固態(tài)的直徑約100mm左右的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，成型時(shí)需將其進(jìn)行分散。同時(shí)為防止樹脂在室溫放置約24小時(shí)后固化，裝備使用后需及時(shí)清理，避免預(yù)混料固化在設(shè)備上，因此設(shè)備需兼具可快速拆卸，易清洗的特點(diǎn)。

人工分散時(shí)，兩手捏緊團(tuán)聚預(yù)混料，通過撕扯的方式，將預(yù)混料分散開，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮人工分散方式，以保證短切纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度不受損傷為基礎(chǔ)，根據(jù)短切纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的特性，設(shè)計(jì)、制造適合于大批量連續(xù)生產(chǎn)的機(jī)械化分散設(shè)備。通過設(shè)置多組齒輥，借助分散齒間的相互交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)混料的快速高效分散。

本文設(shè)計(jì)的預(yù)混料分散裝備，能夠針對不同的短切纖維預(yù)混料的特性，通過調(diào)節(jié)預(yù)混料分散輸送的速率、分散的速率、分散的機(jī)械結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)，達(dá)到短切纖維預(yù)混料均勻分散的目的。裝備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 短切纖維分散裝備總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于各系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和分區(qū)控制的需求，通過在裝備的控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)傳送帶電機(jī)、喂入電機(jī)、分散電機(jī)三個(gè)三相異步電機(jī)，并匹配變頻器，解決物料輸送速率、喂料速率、分散系統(tǒng)齒輥旋轉(zhuǎn)速率分區(qū)線性控制的問題，裝備運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際分散情況，柔性調(diào)節(jié)預(yù)混料物料傳輸速率、喂料速率和分散速率，使三個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對材料特性變化的兼容適配。

各系統(tǒng)速率額定區(qū)間如表1所示。

表1 各系統(tǒng)速率額定區(qū)間

在各系統(tǒng)額定的區(qū)間內(nèi)，裝備支持適配的的材料特性范圍如表2所示。

表2 裝備支持適配的材料特性范圍

通過現(xiàn)場實(shí)際操作情況，調(diào)節(jié)物料傳輸線性速率和喂料速率，使兩者速率配合，在保證喂料端不產(chǎn)生物料堆積情況下，以實(shí)際操作中，人工操作的最佳舒適區(qū)間確定了物料傳輸線性速率和喂料速率，并在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)分散速率，在不同的分散速率下，短切纖維預(yù)混料分散的效果如圖2所示。

圖2 不同分散速率的分散效果

從圖2中可以看出，分散速率400r/min機(jī)械分散處理的預(yù)混料中仍存在少量的球團(tuán)狀團(tuán)聚體，經(jīng)過分散速率500r/min分散處理后，預(yù)混料中的球團(tuán)狀團(tuán)聚現(xiàn)象完全消失，經(jīng)過分散速率600r/min機(jī)械分散處理的預(yù)混料相較于經(jīng)過分散速率500r/min機(jī)械分散處理未出現(xiàn)明顯變化。

通過表觀形貌對比，發(fā)現(xiàn)預(yù)混料機(jī)械分散速率500r/min以上，能夠全部消除球團(tuán)狀團(tuán)聚體，有效改善預(yù)混料的分散均勻性。

結(jié)合實(shí)際操作和分散形貌對比分析，總結(jié)了現(xiàn)階段主要物料型號的優(yōu)化參數(shù)如表3所示。

表3 現(xiàn)階段主要物料優(yōu)化參數(shù)

1.2 物料傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)混料由于自身粘性，無法完全依靠自重保證自動(dòng)下落，并且，預(yù)混料常溫下屬于半干態(tài)料，流動(dòng)性差造成進(jìn)料困難，易在入料端成團(tuán)堵塞進(jìn)料通道，造成分散結(jié)構(gòu)抓取不到預(yù)混料而空轉(zhuǎn)。

本文針對預(yù)混料的特性，設(shè)計(jì)了傳輸帶輸送和壓輥?zhàn)ト〗Y(jié)合的方式，在傳輸系統(tǒng)上引入帶齒結(jié)構(gòu)的輔助壓輥，與傳輸帶間保留約5mm間隙，運(yùn)行時(shí)，依靠傳送帶的動(dòng)力帶動(dòng)預(yù)混料與喂入輔助壓輥接觸，輔助壓輥低速旋轉(zhuǎn)，使預(yù)混料被均勻的抓取并向后端的分散系統(tǒng)傳送，從而解決預(yù)混料輸送時(shí)難以被抓取的問題。

此外，需要結(jié)合預(yù)混料實(shí)際分散情況，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)預(yù)混料傳送速率和入料端進(jìn)料速率，避免入料速率太快而導(dǎo)致預(yù)混料堆積，從而影響分散效率。

物料傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 物料傳送結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 分散系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分散系統(tǒng)的齒針結(jié)構(gòu)外形、齒輥間距、排列模式以及轉(zhuǎn)速對預(yù)混料的分散效果均有影響。本文對針齒的結(jié)構(gòu)、排列方式、分布間距、排列角度等工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了齒針長度、間距對效率的影響，如表4所示。

表4 齒針長度、間距對效率的影響

齒針的高度設(shè)計(jì)綜合考慮了預(yù)混料抓取效率、對纖維的損傷和針齒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。裝備研制過程中，實(shí)驗(yàn)了不同針齒高度對預(yù)混料的分散效果，并用不同針齒高度分散的預(yù)混料制備某防熱產(chǎn)品試驗(yàn)件，剖切出啞鈴狀拉伸強(qiáng)度測試試樣，進(jìn)行拉伸性能測試，測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同針齒高度對材料性能的影響

采用使用體式顯微鏡對拉斷啞鈴試樣的斷面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同針齒高度拉伸試樣斷面顯微照片

從表5中可以看出，隨著針齒高度的增加，拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在18mm針齒高度時(shí)獲得最大拉伸強(qiáng)度和最大斷裂延伸率，而材料性能離散系數(shù)隨針齒高度的增加呈遞減的規(guī)律。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度受基體開裂、纖維拔出及纖維斷裂的共同作用。15mm針齒高度的拉伸試樣的斷口纖維束明顯，纖維束未發(fā)生斷裂，證明試樣斷裂時(shí)裂紋沿纖維束方向延展，纖維拔出現(xiàn)象明顯，但纖維斷裂絲束相對較少。

18mm針齒高度的拉伸試樣斷口位置的纖維絲束較15mm針齒高度的纖維絲束小，說明18m針齒高度時(shí)，對預(yù)混料分散得更加充分，能顯著的將纖維絲束打開，故18mm針齒高度分散的材料性能離散系數(shù)降低；斷口位置部分纖維發(fā)生了斷裂，纖維拔出現(xiàn)象明顯，因此18mm針齒高度分散的材料拉伸強(qiáng)度較15mm針齒高度時(shí)高。

21mm針齒高度處理的試樣斷口位置纖維束大量減少，斷口位置纖維成絨狀，無明顯纖維拔出現(xiàn)象。材料性能的離散系數(shù)相對于前兩者有顯著下降，說明21mm針齒機(jī)械分散處理后預(yù)混料的分散均勻性較15mm針齒和18mm針齒高度都有明顯改善。但21mm針齒高度完成分散處理后制備得到的防熱產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率有所降低，從斷口位置纖維的形貌可以看出，21mm針齒高度分散后，纖維起毛成絨狀，雖然提高了分散得均勻性，但是分散過程會(huì)中纖維損傷明顯，影響材料性能，纖維磨損、斷裂等損傷造成的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率性能下降的效果已經(jīng)超過了預(yù)混料混合均勻性提升對材料性能產(chǎn)生的影響，因此宏觀表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率的減小。

綜合上述實(shí)驗(yàn)，最終確定分散齒的長度為18mm±2mm。

齒輥上齒針的間距設(shè)計(jì)依據(jù)分散效率第一的原則，同時(shí)避免預(yù)混料粘覆而填滿齒間隙，研制過程中，對齒間距進(jìn)行了從大至小的摸索，最終確定了合適且高效的齒間距為20mm±2mm。

分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

齒輥1和齒輥2上的齒針交叉錯(cuò)位排列，使得分散齒在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對預(yù)混料的有效均勻抓取。兩個(gè)齒輥的轉(zhuǎn)速可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。喂料輥、齒輥1和齒輥2在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，齒輥1上的齒針對喂料輥輸送的物料進(jìn)行切割、撕扯而進(jìn)行首次分散，然后再經(jīng)過齒輪2上的齒針切割和撕扯而達(dá)到二次分散的目的。

齒輥設(shè)計(jì)及齒針結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分散齒輥結(jié)構(gòu)示意圖

喂入輥采用鋸齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便抓取物料傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)奈锪希环稚X輥1和齒輥2采用針板與主軸可分離的模塊化設(shè)計(jì)，便于針板的拆卸、維護(hù)、更換和清理。

2 應(yīng)用效果

使用機(jī)械化分散裝備對預(yù)混料進(jìn)行分散操作，并對比其形貌。圖7為不同分散方案處理后預(yù)混料的表觀分散效果。

圖7 不同分散參數(shù)的分散效果

通過圖7可以看出，未經(jīng)過分散處理的預(yù)混料中存在大量團(tuán)狀的物料，經(jīng)過人工分散處理和機(jī)械分散處理的預(yù)混料內(nèi)團(tuán)聚現(xiàn)象基本消失，說明經(jīng)過人工分散處理和機(jī)械分散處理，都能明顯改善預(yù)混料的分散情況，提升預(yù)混料的分散均勻性。同時(shí)從形貌對比可知，人工分散后，纖維束寬度3mm～6mm不等，機(jī)械分散后預(yù)混料纖維束約1mm～2mm，機(jī)械分散相對于人工分散，纏結(jié)的纖維被分散得更充分，纖維束小，且纖維束寬度離散小，分散得更均勻。分散對比情況如表5。

機(jī)械分散與人工分散處理進(jìn)相比，人工分散時(shí)，其效率為1kg/（人·小時(shí)），在機(jī)械分散情況下，其分散效率約20～30kg/（人·小時(shí)），其分散效率為手工分散的20倍以上。

表6 分散效果對比

3 結(jié)語

本文應(yīng)用該短切纖維防熱材料預(yù)混料分散裝備，實(shí)現(xiàn)了對短切纖維預(yù)混料人工分散的完全替代，解決了短切纖維預(yù)混料人工分散均勻性、一致性不高的難題，并大幅提高了生產(chǎn)效率；通過對分散系統(tǒng)中齒輥、針板、主軸可分離的設(shè)計(jì)，大幅減少了針板的拆卸、維護(hù)、更換和清理成本。采用本文研制的裝備生產(chǎn)的防熱產(chǎn)品已經(jīng)過飛試試驗(yàn)驗(yàn)證，本文的研究成果為后續(xù)防熱產(chǎn)品規(guī)模化、批量化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和重要的軍事價(jià)值。