本实用新型涉及固体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种Z向增强的复合材料发动机喷管。
背景技术：
固体火箭发动机成型材料的轻量和高强是固体推进技术的永恒的发展目标。使用复合材料替代传统金属材料是减少火箭发动机的消极质量的有效方法，比如使用碳纤维缠绕壳体能够明显降低固体火箭发动机的整体质量。
固体发动机喷管也可以采用纤维（或者布带）材料缠绕成型以降低消极质量，然而，由于缠绕的纤维和布带层间作用力不强，在高温高压气体的烧蚀作用下，其烧蚀层极易被气流冲刷而剥落。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种Z向增强的复合材料发动机喷管，旨在提高层间作用力。
为实现上述目的，本实用新型提供一种Z向增强的复合材料发动机喷管，包括C/C复合材料喉衬、烧蚀层、隔热层以及复合材料壳体，其中，
所述C/C复合材料喉衬为碳纤维编织成预制件后经化学气相沉积工艺制成而成，C/C复合材料喉衬的外边缘为带捻碳纤维束；
在所述C/C复合材料喉衬的带捻碳纤维束上经纤维或布带预浸料缠绕并固化后形成烧蚀层，带捻碳纤维束插入烧蚀层内部；
所述烧蚀层的一侧通过纤维或布带预浸料斜缠并固化形成隔热层，带捻碳纤维束插入隔热层内部；
所述隔热层的一侧通过纤维或布带铺放或缠绕成型复合材料壳体。
优选地，所述C/C复合材料喉衬外部的带捻碳纤维束直径为1.05~1.15mm。
优选地，所述C/C复合材料喉衬外部的带捻碳纤维束的长度为5~6 mm。
优选地，所述C/C复合材料喉衬由预留长度为5~20 mm，直径为0.2~1.5 mm碳纤维束经编织形成预制件后再经化学气相沉积工艺制成。
优选地，所述烧蚀层通过纤维或布带以5°~15°的缠绕角缠绕形成。
优选地，所述C/C复合材料喉衬的密度为1.70 g/cm3至1.90 g/cm3。
优选地，所述复合材料壳体通过纤维或布带以50°~70°的缠绕角缠绕成型。
优选地，所述复合材料壳体的一侧设置有法兰。
本实用新型提出的Z向增强的复合材料发动机喷管，具有以下有益效果：
（1）喷管一体成型，生产工艺简单，无结构缺陷；
（2）缠绕法成型，使其质轻，能明显降低消极质量；
（3）C/C复合材料喉衬与烧蚀层和隔热层之间通过带捻碳纤维束进行层间增强，不会被气流层层剥离，其耐烧蚀能力强。
附图说明
图1为本实用新型Z向增强的复合材料发动机喷管的结构示意图；
图2为本实用新型Z向增强的复合材料发动机喷管中预制件的结构示意图；
图3为本实用新型Z向增强的复合材料发动机喷管中预制件经渗碳固定后形成C/C复合材料喉衬的结构示意图。
图中，1-C/C复合材料喉衬，2-烧蚀层，3-隔热层，4-法兰，5-复合材料壳体。
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
参照图1至图3，一种Z向增强的复合材料发动机喷管，包括C/C复合材料喉衬1、烧蚀层2、隔热层3以及复合材料壳体5，其中，
C/C复合材料喉衬1为碳纤维编织成预制件后经化学气相沉积工艺制成而成，C/C复合材料喉衬1的外边缘为带捻碳纤维束；
在C/C复合材料喉衬1的带捻碳纤维束上经纤维或布带预浸料缠绕并固化后形成烧蚀层2，带捻碳纤维束插入烧蚀层2内部；
烧蚀层2的一侧通过纤维或布带预浸料斜缠并固化形成隔热层3，带捻碳纤维束插入隔热层3内部；
隔热层3的一侧通过纤维或布带铺放或缠绕成型复合材料壳体5。
具体地，C/C复合材料喉衬1外部的带捻碳纤维束直径为1.05~1.15mm。C/C复合材料喉衬1外部的带捻碳纤维束的长度为5~6 mm。C/C复合材料喉衬1由预留长度为5~20 mm，直径为0.2~1.5 mm碳纤维束经编织形成预制件后再经化学气相沉积工艺制成。C/C复合材料喉衬1的密度为1.70 g/cm3至1.90 g/cm3。
烧蚀层2通过纤维或布带（可使用碳纤维或碳布）以5°~15°的缠绕角缠绕形成。复合材料壳体5通过纤维或布带以50°~70°的缠绕角缠绕成型。通过以一定的缠绕角成型，影响各向的力学分布，缠绕角度低纵向强度高，缠绕角度高环向强度高。复合材料壳体5的一侧设置有法兰4。隔热层3可通过高硅氧布缠绕成型。
烧蚀层2可采用T300K平纹碳布预浸料缠绕成型，缠绕过程中控制缠绕压力为30-50 N/cm2，以保证粗束碳纤维插入碳布内部而不折断。
复合材料壳体5可采用T700碳纤维预浸料缠绕成型，使用热压罐和真空袋在压力1.2MPa，80-170 ℃阶梯固化成型。
本实施例在此给出一具体的Z向增强的复合材料发动机喷管的制作方法。
（1）使用T700 碳纤维编制成图2所示形状，在尾部预留直径1 mm，长度5 mm的带捻碳纤维束，形成预制件，预制件经过三次CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）渗碳工艺后得到密度为1.86g/cm3的C/C复合材料喉衬1。该喉衬外部的碳纤维束直径变为1.05-1.15mm，长度仍为5 mm。
（2）采用10mm宽的1K-300聚丙烯腈平纹碳布预浸料缠绕形成烧蚀层2，缠绕方式采用平叠缠绕，布带压力控制为40N/cm2，保证预留的碳纤维束插入布带内部，缠绕得到相应形状后，使用热压罐在0.8MPa下按照固化制度：85℃ /3h+100℃ /2h+110℃ /1h+125℃ /1h+160℃ /4h升温速率（固化度梯）：0.5℃ /min的方式进行固化，得到烧蚀层缠绕件，经过车削精加工得到合格的烧蚀层缠绕件。由于C/C复合材料喉衬1预留的碳纤维进入烧蚀层碳布的层间而起到Z向增强的作用，烧蚀层布带层与层之间的结合力及机械强度大大提高，同时，预留的碳纤维能够抵御气流的冲刷，因而烧蚀层布带不会被气流冲刷而层层剥离，大大提高了喷管的耐烧蚀性能。
（3）使用宽度为15 mm的高硅氧布钡酚醛树脂预浸料10°斜缠隔热层3，布带压力控制在40N/cm2，缠绕得到相应形状后，使用热压罐和真空袋在1.0 MPa的固化压力下按照固化制度：85℃ /3h+100℃ /2h+110℃ /1h+125℃ /1h+160℃ /4h升温速率（固化度梯）：0.5℃ /min的方式进行固化，得到隔热层缠绕件，经过车削精加工后进入下一步工序。
（4）使用T700 SC碳纤维预浸料进行壳体的缠绕成型，缠绕角度为60°，在1.2 MPa压力下按照120 ℃/2h+150 ℃/5h升温速率（固化度梯）：0.5℃ /min的方式进行固化，经过车削加工得到最终喷管。
本实施例提出的Z向增强的复合材料发动机喷管，具有以下有益效果：
（1）喷管一体成型，不涉及部件的粘接和拼接，其生产工艺简单，无结构缺陷；
（2）缠绕法成型，使其质轻，能明显降低消极质量；
（3）C/C复合材料喉衬1与烧蚀层2和隔热层3之间通过带捻碳纤维束进行层间增强，不会被气流层层剥离，其耐烧蚀能力强。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。