航天用短切纖維防熱材料分散裝備的研制與實踐

羅剛堂，李 琳，伍 昱，李 鵬，洪義強

（1.北京機電工程總體設計部，北京 100854；2.中國航天科工運載技術研究院北京分院，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，是一種在航天領域應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生的氣動熱，以保證飛行器結構和內部設備儀器工作正常[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]，可根據不同的熱環境要求進行設計。各組分通過混合或者捏合設備混合后形成短切纖維預混料，由于樹脂的粘性和纖維的纏結作用，預混料成團狀結構，成型時，需將這種團狀預混料分散，以保證材料的力學和防熱性能的均勻性。人工分散是較為傳統的分散方式，但其分散均勻性和一致性差、分散效率低、難以大規模批量化生產，生產時效性和質量一致性難以保障。據生產實踐經驗數據顯示，人工分散生產效率僅為1kg/（人·小時）。

隨著航天產業的發展，研制開發一種具有自主知識產權的短切纖維防熱材料機械分散裝備具有十分重要的意義。西安航天復合材料研究所的楊斌[3]等針對短切纖維/酚醛樹脂復合材料預混料，研制了一種二次分散機構，實現了纖維/樹脂兩組分結構類預混料的分散。然而該設備分散結構較為復雜，當應用在樹脂基體/短切纖維/功能填料類多組分結構短切纖維預混料分散時，功能填料將粘結在分散機構上，造成設備清理困難。

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混料分散裝備的設計方案，優化各項工藝參數，并實現了關鍵零部件的模塊化，最后就該裝備在生產實踐中的應用效果進行了總結分析。生產驗證表明，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 裝備總體設計

短切纖維預混料各組分混合后，由于樹脂的粘性和纖維的纏結而形成半固態的直徑約100mm左右的團狀結構，成型時需將其進行分散。同時為防止樹脂在室溫放置約24小時后固化，裝備使用后需及時清理，避免預混料固化在設備上，因此設備需兼具可快速拆卸，易清洗的特點。

人工分散時，兩手捏緊團聚預混料，通過撕扯的方式，將預混料分散開，在機械設計時，充分考慮人工分散方式，以保證短切纖維增強樹脂基復合材料的強度不受損傷為基礎，根據短切纖維增強樹脂基復合材料的特性，設計、制造適合于大批量連續生產的機械化分散設備。通過設置多組齒輥，借助分散齒間的相互交錯運動，實現預混料的快速高效分散。

本文設計的預混料分散裝備，能夠針對不同的短切纖維預混料的特性，通過調節預混料分散輸送的速率、分散的速率、分散的機械結構等工藝參數，達到短切纖維預混料均勻分散的目的。裝備結構如圖1所示。

圖1 短切纖維分散裝備總體結構圖

1.1 控制系統設計

基于各系統模塊化設計的特點和分區控制的需求，通過在裝備的控制系統上設計傳送帶電機、喂入電機、分散電機三個三相異步電機，并匹配變頻器，解決物料輸送速率、喂料速率、分散系統齒輥旋轉速率分區線性控制的問題，裝備運行過程中，根據實際分散情況，柔性調節預混料物料傳輸速率、喂料速率和分散速率，使三個系統工作時相互協調，實現對材料特性變化的兼容適配。

各系統速率額定區間如表1所示。

表1 各系統速率額定區間

在各系統額定的區間內，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

通過現場實際操作情況，調節物料傳輸線性速率和喂料速率，使兩者速率配合，在保證喂料端不產生物料堆積情況下，以實際操作中，人工操作的最佳舒適區間確定了物料傳輸線性速率和喂料速率，并在此基礎上，調節分散速率，在不同的分散速率下，短切纖維預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機械分散處理的預混料中仍存在少量的球團狀團聚體，經過分散速率500r/min分散處理后，預混料中的球團狀團聚現象完全消失，經過分散速率600r/min機械分散處理的預混料相較于經過分散速率500r/min機械分散處理未出現明顯變化。

通過表觀形貌對比，發現預混料機械分散速率500r/min以上，能夠全部消除球團狀團聚體，有效改善預混料的分散均勻性。

結合實際操作和分散形貌對比分析，總結了現階段主要物料型號的優化參數如表3所示。

表3 現階段主要物料優化參數

1.2 物料傳輸系統設計

預混料由于自身粘性，無法完全依靠自重保證自動下落，并且，預混料常溫下屬于半干態料，流動性差造成進料困難，易在入料端成團堵塞進料通道，造成分散結構抓取不到預混料而空轉。

本文針對預混料的特性，設計了傳輸帶輸送和壓輥抓取結合的方式，在傳輸系統上引入帶齒結構的輔助壓輥，與傳輸帶間保留約5mm間隙，運行時，依靠傳送帶的動力帶動預混料與喂入輔助壓輥接觸，輔助壓輥低速旋轉，使預混料被均勻的抓取并向后端的分散系統傳送，從而解決預混料輸送時難以被抓取的問題。

此外，需要結合預混料實際分散情況，通過控制系統調節預混料傳送速率和入料端進料速率，避免入料速率太快而導致預混料堆積，從而影響分散效率。

物料傳送系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 物料傳送結構示意圖

1.3 分散系統設計

分散系統的齒針結構外形、齒輥間距、排列模式以及轉速對預混料的分散效果均有影響。本文對針齒的結構、排列方式、分布間距、排列角度等工藝參數進行了研究，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

齒針的高度設計綜合考慮了預混料抓取效率、對纖維的損傷和針齒結構強度等因素。裝備研制過程中，實驗了不同針齒高度對預混料的分散效果，并用不同針齒高度分散的預混料制備某防熱產品試驗件，剖切出啞鈴狀拉伸強度測試試樣，進行拉伸性能測試，測試結果如表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行觀察，結果如圖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，拉伸強度和斷裂延伸率均呈現先增大后減小的規律，在18mm針齒高度時獲得最大拉伸強度和最大斷裂延伸率，而材料性能離散系數隨針齒高度的增加呈遞減的規律。

纖維增強樹脂基復合材料的拉伸強度受基體開裂、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，纖維束未發生斷裂，證明試樣斷裂時裂紋沿纖維束方向延展，纖維拔出現象明顯，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，對預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降低；斷口位置部分纖維發生了斷裂，纖維拔出現象明顯，因此18mm針齒高度分散的材料拉伸強度較15mm針齒高度時高。

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，無明顯纖維拔出現象。材料性能的離散系數相對于前兩者有顯著下降，說明21mm針齒機械分散處理后預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品的拉伸強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度和斷裂延伸率性能下降的效果已經超過了預混料混合均勻性提升對材料性能產生的影響，因此宏觀表現為拉伸強度和斷裂延伸率的減小。

綜合上述實驗，最終確定分散齒的長度為18mm±2mm。

齒輥上齒針的間距設計依據分散效率第一的原則，同時避免預混料粘覆而填滿齒間隙，研制過程中，對齒間距進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。

分散系統結構設計如圖5所示。

圖5 分散系統結構

齒輥1和齒輥2上的齒針交叉錯位排列，使得分散齒在轉動時對預混料的有效均勻抓取。兩個齒輥的轉速可通過控制系統調節。喂料輥、齒輥1和齒輥2在旋轉產時產生相對運動，齒輥1上的齒針對喂料輥輸送的物料進行切割、撕扯而進行首次分散，然后再經過齒輪2上的齒針切割和撕扯而達到二次分散的目的。

齒輥設計及齒針結構如圖6所示。

圖6 分散齒輥結構示意圖

喂入輥采用鋸齒結構設計，以便抓取物料傳輸系統傳輸的物料；分散齒輥1和齒輥2采用針板與主軸可分離的模塊化設計，便于針板的拆卸、維護、更換和清理。

2 應用效果

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

圖7 不同分散參數的分散效果

通過圖7可以看出，未經過分散處理的預混料中存在大量團狀的物料，經過人工分散處理和機械分散處理的預混料內團聚現象基本消失，說明經過人工分散處理和機械分散處理，都能明顯改善預混料的分散情況，提升預混料的分散均勻性。同時從形貌對比可知，人工分散后，纖維束寬度3mm～6mm不等，機械分散后預混料纖維束約1mm～2mm，機械分散相對于人工分散，纏結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。

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

表6 分散效果對比

3 結語

本文應用該短切纖維防熱材料預混料分散裝備，實現了對短切纖維預混料人工分散的完全替代，解決了短切纖維預混料人工分散均勻性、一致性不高的難題，并大幅提高了生產效率；通過對分散系統中齒輥、針板、主軸可分離的設計，大幅減少了針板的拆卸、維護、更換和清理成本。采用本文研制的裝備生產的防熱產品已經過飛試試驗驗證，本文的研究成果為后續防熱產品規?；⑴炕a打下了基礎，具有顯著的經濟效益和重要的軍事價值。