针对大尺寸的低密度长纤维针刺结构尺寸精度控制方法与流程

本发明涉及一种针对大尺寸的低密度长纤维针刺结构尺寸精度控制方法，属于热防护结构产品成型技术领域，应用于第二宇宙速度的飞行器热防护系统的研制。

背景技术：

载人飞船在返回飞行过程，需经历高热流冲刷，返回飞行器外表面须有热防护系统保护。随着深空探测技术的不断开展，针对第二宇宙飞行速度的热流环境，传统热防护材料不能满足其需求。热防护系统一个发展方向就是使用低密度长纤维针刺结构、整体成型的热防护材料研制。而低密度长纤维、整体成型的热防护材料体系的增强体为低密度、长纤维针刺结构。低密度、长纤维针刺结构为孔隙率在80％以上的多孔疏松结构，其结构特点在于质软，易变形。

因而在使用该类增强体成型大尺寸防热结构件过程中，存在构件尺寸精度难以控制，一旦受力变形，即会产生不可逆的型面精度损失或表面形成不可逆的凹凸变形，造成制件报废的问题。

本领域亟待解决如何低密度长纤维针刺结构成型过程易变形、尺寸精度控制难度大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大尺寸的低密度长纤维针刺结构尺寸精度控制方法，令热固性树脂溶液沉积在纤维表层形成一定的刚性覆膜，为整个大尺寸的低密度长纤维针刺结构提供了刚性支撑，解决了成型过程易变形、尺寸精度控制难度大问题。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种针对大尺寸的低密度长纤维针刺结构尺寸精度控制方法，包括如下步骤：

步骤1：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液；

步骤2：准备结构纤维层，使用喷洒设备或工具在结构纤维层表面均匀喷涂所述热固性树脂溶液；

步骤3：对结构纤维层进行针刺，完成针刺结构成型；

步骤4：在针刺模具的防护下，完成针刺结构与支撑托盘的合模；

步骤5：移除针刺模具；

步骤6：将针刺结构和支撑托盘送入加热设备，加热80℃～200℃，保温4h～48h；

步骤7：针刺结构和托盘结构降温到50℃以下，生成刚性的低密度长纤维针刺结构。

优选的，低密度长纤维针刺结构厚度大于25mm。

同时提供一种针对薄型大尺寸的低密度长纤维针刺结构尺寸精度控制方法，包括如下步骤：

步骤1：配置含胶量2～3％和含胶量5～10％的两种含量的热固性树脂溶液；

步骤2：根据针刺厚度准备针刺结构纤维层，初始铺层的前5～20层纤维层和最终的5～20层纤维层，使用喷洒设备或工具均匀在纤维层表面喷涂2～3遍所述含胶量5～10％热固性树脂溶液；

步骤3：对所有未喷涂热固性树脂溶液的纤维层，使用喷洒设备或工具在纤维层表面均匀喷涂至少一遍所述含胶量2～3％热固性树脂溶液；

步骤4：对结构纤维层进行针刺，完成针刺结构成型；

步骤5：在针刺模具的防护下，完成针刺结构与支撑托盘的合模；

步骤8：移除针刺模具；

步骤9：将针刺结构和支撑托盘送入加热设备，加热80℃～200℃，保温4h～48h；

步骤10：针刺结构和托盘结构降温到50℃以下，生成刚性的低密度长纤维针刺结构。

优选的，低密度长纤维针刺结构厚度不大于25mm。

优选的，所述热固性树脂溶液使用醇类或脂类溶剂进行稀释，搅拌均匀，获得设定含胶量溶液。

优选的，所述支撑托盘与针刺结构的外表面形状匹配，进行镂空处理形成网格结构。

优选的，所述支撑托盘耐250℃以上高温。

优选的，针刺结构与支撑托盘的合模过程中针刺结构内表面通过针刺模具均匀加压，针刺结构凸面与支撑托盘贴合。

优选的，纤维针刺结构密度范围为0.13～0.6g/cm³。

优选的，纤维针刺结构尺寸为：对于平板结构面内尺寸大于1m²；对于非平板结构面内投影面积大于0.5m²。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在热固性树脂溶液沉积在表层纤维形成刚性层，提高了纤维表面的刚性，为整个大尺寸的低密度长纤维针刺结构提供了刚性支撑，解决了成型过程易变形、尺寸精度控制难度大问题。在后续过程中无需对低密度长纤维针刺结构进行额外的柔性防护，操作便捷。

(2)同时，由于刚性层的存在，在成型过程中大尺寸整体成型的长纤维防热结构不易变形，尺寸精度可控，成型产品轮廓尺寸精度优于2mmr.m.s，表面不存在深度大于2mm、区域尺寸大于φ10mm的凹坑缺陷，满足防热结构加工尺寸精度要求。

(3)对于不同厚度的针刺结构，提供不同的树脂浓度质量比，避免含胶量过高影响材料的防热性能或者过低不足以形成刚性支撑，通过优化配比保证了结构刚性支撑的效果。

附图说明

图1为控制技术流程图；

图2为方案二表面喷涂树脂分区示意图；

图3为实施例1大尺寸、低密度长纤维结构产品构型示意图；

图4为本发明实例1的镂空托盘结构示意图。

具体实施方式

本发明采用热固性树脂溶液喷涂纤维表面，形成树脂包覆纤维体结构，通过高温加热，使热固性树脂固化，得到一种大尺寸、低密度长纤维针刺结构的刚性体，避免了后续防热材料制备过程中的受力变形，方便了大尺寸、低密度长纤维针刺结构的运输、起吊、翻转操作。该控制技术操作流程见图1。

低密度指针刺结构密度0.13～0.6g/cm³范围；大尺寸包含平板面内尺寸大于1m²结构以及弧形面、折叠面等非平板面内投影面积大于0.5m²的结构；所述托盘结构按照所需制备的产品结构外表面(凸面或平板的一面)型面尺寸，设计净尺寸、镂空、耐200℃以上高温的工装；所述加热设备包括工作空间满足产品工装尺寸的，能持续、均匀供热，供热温度在200℃以上的设备。

方案一：适用于结构厚度大于25mm以上的针刺结构

步骤1：按照所需制备的大尺寸、低密度长纤维针刺结构外表面(凸面或平板的一面)型面尺寸，设计净尺寸、镂空、耐200℃以上高温的托盘结构。托盘与针刺结构的外表面(凸面)形状匹配，具备一定刚性，能承受自重不变形。

步骤2：加工托盘结构，存放待用。

步骤3：配置含胶量2～3％的热固性树脂溶液，使用醇类或脂类溶剂进行稀释，搅拌均匀。

步骤4：准备针刺结构纤维层，使用喷洒设备或工具均匀在纤维层表面喷涂一遍步骤3配置的溶液。

步骤5：使用步骤4处理后的纤维层，完成针刺结构成型。

步骤6：在针刺模具的防护下，完成针刺结构与托盘结构的合模，内表面通过针刺模具均匀加压，确保针刺结构与托盘贴合。

步骤7：移除针刺模具及其余不耐高温的辅料、辅助工具等。

步骤8：将针刺结构和托盘结构送入加热设备，加热80℃～200℃，保温4h～48h。

步骤9：针刺结构和托盘结构降温到50℃以下，即可生成刚性体，可用于后续防热结构生产。

方案二：适用于结构厚度不大于25mm以上的针刺结构

步骤1：按照所需制备的大尺寸、低密度长纤维针刺结构外表面(凸面或平板的一面)型面尺寸，设计净尺寸、镂空、耐200℃以上的托盘结构。托盘具备一定刚性，能承受自重不变形。

步骤2：加工托盘结构，存放待用。

步骤3：配置含胶量2～3％和含胶量5～10％的两种含量的热固性树脂溶液，使用醇类或脂类溶剂进行稀释，搅拌均匀。

步骤4：根据针刺厚度准备针刺结构初始铺层的前8～20层纤维层和最终的8～20层纤维层，使用喷洒设备或工具均匀在纤维层表面喷涂2～3遍步骤3配置的含胶量5～10％热固性树脂溶液，并做好标记。

步骤5：根据针刺厚度准备所有中间层的针刺结构纤维层，使用喷洒设备或工具均匀在纤维层表面喷涂一遍步骤3配置的含胶量2～3％热固性树脂溶液。

步骤6：使用步骤4、5处理后的纤维层，按照附图3完成针刺结构成型。

步骤7：在针刺模具的防护下，完成针刺结构与托盘结构的合模，内表面通过针刺模具均匀加压，确保针刺结构与托盘贴合。

步骤8：移除针刺模具及其余不耐高温的辅料、辅助工具等。

步骤9：将针刺结构和托盘结构送入加热设备，加热80℃～200℃，保温4h～48h。

步骤10：针刺结构和托盘结构降温到50℃以下，即可生成刚性体，可用于后续防热结构生产。

实施例1：

在制备厚度25mm，面内面积大于2㎡的大曲率扇形结构(图3)时，首先，设计加工了图4的托盘结构。然后在容器中将酚醛树脂溶于乙酸乙酯中形成酚醛质量含量为2％和含量为8％的酚醛溶液。接着在大曲率扇形结构针刺初始10层和结束的10层碳纤维的针刺纤维层表面均匀喷涂了3遍含量为8％的酚醛溶液，在其余中间纤维层表面均匀喷涂了1遍含量为2％的酚醛溶液。在针刺模具上一次完成针刺结构成型。然后在针刺模具的防护下，完成针刺结构与托盘结构的合模，内表面通过针刺模具均匀加压，确保针刺结构与托盘贴合。去除针刺模具和辅助工具后，送入加热设备，加热100℃，保温12h。所形成的大曲率扇形结构刚形体表面受力不发生变形，可维持表面平整度，整个轮廓尺寸除结构构型带来的弹性变形外，未见不可逆变形。后续继续防热结构成型相关操作，最终成型的大曲率扇形结构产品表面未见深度大于1mm、区域面积大于φ5mm的凹凸部位，整体内外表面结构轮廓度检测分别为1.9mmr.m.s、1.2mmr.m.s。

本发明的方法用于大尺寸防热结构整体成型前保证其纤维结构具有一定刚度，避免成型过程中因为质地松软发生变形。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。