基于STF-Kevlar织物的包容机匣、制造装置及方法与流程

本发明属于航空发动机制造领域，具体涉及一种基于stf-kevlar织物的包容机匣、制造装置及方法。

背景技术：

航空发动机如果在飞机飞行过程中发生了非包容事故即包容发动机的包容机匣发生破坏被击穿的事件，将会严重危及飞行安全。为了防止非包容事故的发生，发动机包容机匣需要足够的抗冲击能力，可以包容高速飞出的叶片。早期的航空发动机多采用硬壁包容机匣，在提高安全性的同时增加了自身质量，其性能难以满足现代高推重比发动机和大型绿色涡扇发动机的设计要求。美国专利us6,053,696公开了用于涡扇发动机的风扇包容机匣，风扇包容机匣包括弹性的叶片包容带，其布置在支撑外壳的外表面，该弹性的叶片包容带是由凯芙拉纤维材料制成。在金属包容机匣外缠绕kevlar织物，具有成本低、质量轻、包容能力强的特点。

剪切增稠液(shearthickeningfluid，stf)由于其独特的剪切增稠特性连续浸渍到kevlar织物中能有效的提高其抗冲击性能，目前已用于人体装甲防护领域。专利cn103089345a公开了一种用于转动组件的包容装置，其包括：壳体，其环绕转动组件并在转动组件的轴向和周向上延伸而成，其内限定一环形的容纳腔体；增强纤维，其填充于容纳腔体的至少一部分腔体内；剪切增稠液体，其可流动地充满至少一部分腔体内并浸渍增强纤维。但是kevlar织物缠绕到包容机匣上，当叶片飞脱击穿包容机匣，kevlar织物通过纤维的大变形吸收能量，因此要求具有一定的外扩空间以允许其自由变形，而上述设计中将kevlar织物置于包含stf的腔体中，无法充分发挥kevlar织物的最大吸能能力，因而无法达到良好的包容效果。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于stf-kevlar织物的包容机匣，该包容机匣具有良好的包容性能。

本发明的另一目的是提供一种制造上述包容机匣的装置，采用该装置能够实现在kevlar织物上连续且充分分散浸渍stf，提升kevlar织物的吸能能力，增强包容机匣的包容性。

本发明的第三个目的是提供一种采用上述装置制造包容机匣的方法，该方法能够制造上述基于stf-kevlar织物的包容机匣。

技术方案：本发明所述的一种基于stf-kevlar织物的包容机匣，包括机匣支撑环和stf-kevlar织物，所述机匣支撑环具有圆柱形的环体及分别位于环体两端的凸台；所述stf-kevlar织物缠绕于所述环体上并位于两端的凸台之间，并在stf-kevlar织物的外部涂覆密封胶密封。

有益效果：该包容机匣采用stf-kevlar织物缠绕，能够增强包容机匣的包容性减轻包容机匣质量，提高包容机匣的抗冲击能力。在叶片断裂冲击包容机匣时，能够包容高速飞出的叶片，保障飞行安全。

本发明所述的一种制造上述包容机匣的装置所采用的技术方案是：

该装置，包括stf-kevlar织物制备装置及机匣支撑环，所述stf-kevlar织物制备装置具有箱体、轧制组件和超声分散装置；所述箱体置于所述超声分散装置中，箱体具有进口、出口和浸渍腔，所述进口和出口分别位于所述浸渍腔的两侧并与浸渍腔连通；所述轧制组件位于所述箱体的出口侧，轧制组件具有上轧辊、下轧辊以及驱动装置，上轧辊和下轧辊均通过驱动装置驱动，上轧辊和下轧辊之间形成轧压区域，自所述轧压区域轧压出的stf-kevlar织物缠绕于所述机匣支撑环上。

有益效果：该制造装置通过设置stf-kevlar织物制备装置，能够实现将stf与kevlar织物复合，并提升stf-kevlar织物的吸能能力，进而增强包容机匣的包容性能。将箱体置于超声分散装置中，使得在stf浸渍kevlar织物时，能够通过超声波加速stf的分散过程，提高浸渍效率，使浸渍更加充分；且箱体的出口侧设置轧制组件，通过轧制组件对浸渍后的stf-kevlar织物施加浸轧压力，以提高单位面积stf-kevlar织物的抗冲击性能和能量吸收能力；上轧辊和下轧辊的转动配合浸轧压力能够带动stf-kevlar织物的前进，实现kevlar织物的连续浸渍轧压。

而本发明所述的一种采用上述装置制造包容机匣的方法所采用的技术方案包括下述步骤：

(a)制备stf溶液，并将制备好的stf溶液注入所述浸渍腔内；

(b)将kevlar织物自所述进口送入浸渍腔，没入stf溶液内，并通过超声波分散实现充分浸渍，即得stf-kevlar织物；

(c)将stf-kevlar织物自所述出口拉出箱体，送入所述轧压区域，通过上轧辊和下轧辊对stf-kevlar织物施加浸轧压力；并通过上轧辊和下轧辊的转动，带动stf-kevlar织物前进，实现整卷kevlar织物的连续浸渍轧压；

(d)对轧压后的stf-kevlar织物干燥；

(e)将干燥后的stf-kevlar织物缠绕于机匣支撑环上，并在最外层的stf-kevlar织物的外表面涂覆密封胶密封。

有益效果：上述方法有效克服了stf溶液常温粘度大，流动性差，很难渗入到kevlar织物内的问题；实现了stf与kevlar织物的复合，同时也实现stf连续且充分浸渍kevlar织物，提升了浸渍的效率。采用该方法制备的stf-kevlar织物具有较好的抗冲击性能和能量吸收能力，使其能够更好的应用到航空发动机的包容机匣上，提升包容机匣的包容性，并减轻包容机匣的质量。

附图说明

图1是本发明包容机匣的机匣支撑环的结构示意图；

图2是机匣支撑环的结构主视图；

图3是本发明stf-kevlar织物制备装置在连续浸渍轧压时的结构示意图；

图4是本发明stf-kevlar织物制备装置在连续浸渍轧压时的箱体部分的结构俯视图；

图5是本发明轧制组件的工作原理示意图；

图6是本发明卷筒支撑组件结构示意图；

图7是实施例中的滚筒结构示意图；

图8是本发明浸渍不同stf溶液的stf-kevlar织物，其中：8a为实施例1的stf-kevlar织物，8b为实施例2的stf-kevlar织物，8c为实施例3的stf-kevlar织物；

图9缠绕stf-kevlar织物的包容机匣受到叶片撞击变形示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

本实施方式公开了一种基于stf-kevlar织物的包容机匣。该包容机匣包括机匣支撑环1和stf-kevlar织物20，如图1、图2所示，机匣支撑环1具有圆柱形的环体11及分别位于环体11两端的凸台12，凸台12的高度为h。stf-kevlar织物20缠绕于机匣支撑环1的环体11外表面并位于两端的凸台12之间。并在stf-kevlar织物20的外部涂覆密封胶密封。假设单层stf-kevlar织物20的厚度为t，缠绕的层数为n，那么要求h＝nt，也即是stf-kevlar织物20的缠绕厚度与凸台12的高度一致。而密封胶具体可采用环氧树脂胶。

可知，该包容机匣与现有包容机匣相比最突出的特征在于采用stf与kevlar织物10复合而成的stf-kevlar织物20缠绕在机匣支撑环1的外部，该stf-kevlar织物20具有较好的抗冲击性能和能量吸收能力，从而增强了包容机匣的包容性能。

本实施方式还提供了一种制造该包容机匣的装置。如图3～4所示，该制造装置中的stf-kevlar织物制备装置2具有箱体3、轧制组件4、超声分散装置31和卷筒支撑组件5。

由于stf在常温下的粘度较大，流动性也较差，很难渗入到kevlar织物10的纤维之间，因此直接与kevlar织物复合会很困难。这里用到了超声波分散法加速分散过程，提高复合效率。本实施例采用超声分散仪作为超声分散装置31提供超声波，将箱体3置于超声分散仪中，箱体3内部形成浸渍腔32。进口和出口分别位于浸渍腔32的两侧并均与浸渍腔32连通。

stf溶液盛放于浸渍腔32内，为了使kevlar织物10能够充分的没入stf溶液中，箱体3内部还设置有两根圆柱压棒33，两根圆柱压棒33分别位于浸渍腔32的底部两侧。从而能够将进入的kevlar织物10压平，使其平整从而能够充分浸渍分散。

同时箱体3的进口和出口处均设置有如图7所示的滚筒34，滚筒34能够围绕其中心转轴自由转动，对kevlar织物10起到支撑和传输作用。

轧制组件4位于箱体3的出口侧，轧制组件4具有上轧辊41、下轧辊42、驱动装置和支架43，上轧辊41和下轧辊42之间形成轧压区域，上轧辊41和下轧辊42均通过驱动装置驱动。如图4所示，上轧辊41与下轧辊42的转动方向相反，从而在对stf-kevlar织物20施加浸轧压力的同时能够带动stf-kevlar织物20实现kevlar织物10的连续浸渍。

再次参阅图3，stf-kevlar织物制备装2还具有卷筒支撑组件5，卷筒支撑组件5位于所述箱体3的入口侧。请一并参阅附图6，该卷筒支撑组件5用于安装成卷的kevlar织物10，其由支撑座51和加载滚轴52构成，支撑座51的下部呈回字形，具有较好的稳定性。

本实施方式还提供了采用上述装置制造该基于stf-kevlar织物的包容机匣的方法，具体包括下述步骤：

(1)制备stf溶液，并将制备好的stf溶液注入浸渍腔32内；

(2)将整卷的kevlar织物10安装在卷筒支撑组件5上，并找到kevlar织物10的端头，拉扯使其沿着箱体3的进口送入浸渍腔32；

(3)将kevlar织物10的端头依次从两根圆柱压棒33下部穿过，通过圆柱压棒33将kevlar织物10压平并完全压入stf溶液内；打开超声分散仪31并通过超声波充分分散浸渍，stf附着和浸渍到kevlar织物表面和纤维之间，即得stf-kevlar织物20；

(4)将即得stf-kevlar织物20的端头自箱体3的出口拉出，送入轧压区域，通过上轧辊41和下轧辊42对stf-kevlar织物20施加2bar浸轧压力；并通过上轧辊41和下轧辊42的转动，带动其前进，实现整卷kevlar织物10的连续浸渍轧压；

(5)将轧压后的stf-kevlar织物20放入干燥器里烘干或者放入干燥环境中自然晾干，等待使用；

(6)将干燥后的stf-kevlar织物20缠绕于机匣支撑环1的环体11上，并在缠绕的最外层的stf-kevlar织物20的外部涂覆环氧树脂胶密封，即得本发明所述的包容机匣。

更为详细的，本实施方式的stf溶液可以采用普通stf溶液，即为将100纳米的球形二氧化硅粒子与分子量200的聚乙二醇混合搅拌制得质量分数为20％的普通stf溶液。

同时，本实施方式还提供了三种实施例，在普通的stf溶液基础上对其进行改进，向20％质量分数的stf溶液组分中加入碳纳米材料氧化石墨烯(go)和碳纳米管(cnt)形成多分散相stf，氧化石墨烯和碳纳米管都具有超强的力学性能，把它们加到复合材料基体中能够大幅提高复合材料的力学特性，氧化石墨烯和碳纳米管都属于纳米材料，满足stf分散相的要求，易分散到分散介质中，在发生剪切增稠时有利于粒子的团聚，同时能够分布到kevlar织物中，从而进一步提高stf-kevlar织物的抗冲击性能。

实施例1：在制得的质量分数为20％的溶液中加入氧化石墨烯，并使氧化石墨烯的质量分数为2％，得多分散相stf溶液。如图8中8a所示，示出了本例中配制的stf溶液浸渍得到的stf-kevlar织物。

实施例2：在制得的质量分数为20％的溶液中加入碳纳米管，并使碳纳米管的质量分数为2％，得多分散相stf溶液。如图8中8b所示，示出了本例中配制的stf溶液浸渍得到的stf-kevlar织物。

实施例3：在制得的质量分数为20％的溶液中加入氧化石墨烯和碳纳米管，并使氧化石墨烯的质量分数为1％，碳纳米管的质量分数为1％，得多分散相stf溶液。如图8中8c所示，示出了本例中配制的stf溶液浸渍得到的stf-kevlar织物。

将制备的stf-kevlar织物20缠绕于机匣支撑环1外侧，所得到的包容机匣在叶片断裂时遭受叶片冲击会产生如图9所示的现象，其中附着在kevlar织物纤维上的球形二氧化硅等纳米粒子将会向冲击区域流动并团聚，从而增强包容机匣的包容性。