[发明专利]一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺

说明书

本发明公开了一种防热‑隔热‑承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺。该结构包括防热层、隔热层以及承载层，层间通过组合式导向套连接。该数字化成形工艺将预制体三维模型采用切片软件沿垂直方向进行分层，提取分层后每一层截面轮廓信息，并对复合材料构件进行有限元分析，确定热量传递与纤维体积分数的关系，计算每一层的层密度，根据每一层层密度规划单层纤维束走向，并确定纤维束铺放路径参数，根据提取的截面轮廓信息以及优化后的纤维束铺放路径、定位板孔径参数以及导向套尺寸参数，加工出符合使用要求的定位板，在定位底板上依次布置组合式导向套，依次进行织造，最后经致密化成型制备防热‑隔热‑承载组合式一体化复合材料。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺，用于复合材料防热-隔热-承载一体化热防护领域。

背景技术

连续纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的热稳定性以及可设计性强等特点，广泛应用于航空航天、交通运输等领域。其中纤维增强碳基和陶瓷基复合材料由于具有耐高温、抗冲击等优点，成为航空领域高温结构件的首选材料，比如各种类型飞行器的热防护系统。

随着航空航天、交通运输等领域对轻量化要求的不断提升，以及正朝着多功能一体化的方向发展，未来飞行器热防护系统正朝着防热-隔热-承载多功能一体化的方向发展，那么就对预制体成形工艺提出了更高的要求。目前，受限于制备工艺以及预制体自身的结构特征，导致具有多层结构的预制体难以整体成形，同时浸渍后的复合材料构件抗分层能力差，成为热防护系统复合材料构件一体化成形的瓶颈。

针对具有多层结构预制体一体化成形难的问题，因此一种防热-隔热-承载多层预制体一体化整体成形成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，实现热防护领域典型构件防热-隔热-承载一体化，进一步提升热防护系统的性能，降低复合材料构件的重量，提出一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺。

本发明采用如下的技术方案：

一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺，一体化预制体结构包括防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）以及连接防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）的组合式导向套（4），一体化预制体的数字化成形工艺步骤包括：

S1：根据预制体三维模型采用通用切片软件沿垂直方向进行分层，提取防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）分层后每一层截面轮廓信息，同时对复合材料构件进行有限元分析，确定不同方向热量传递与该方向纤维体积分数的关系，再根据热量传递与各方向纤维体积分数关系模型确定每一层的层密度，根据计算出的层密度规划每一层纤维束的走向，并定义纤维束铺放路径、定义定位板孔径参数以及定义导向套尺寸参数；

S2：根据步骤S1提取的截面轮廓信息以及优化后的纤维束铺放路径、定位板孔径参数以及导向套尺寸参数，加工出符合使用要求的定位板；

S3：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在定位底板上布置防热层（1）的组合式导向套（4），形成防热层（1）的导向阵列，防热层（1）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；

S4：以所述组合式导向套（4）组成的导向阵列为支撑，根据步骤S1优化后的纤维束路径将纤维束沿导向套（4）编织，并固定在导向套（4）表面的坎合槽中，通过张紧力传感器（9）和张力调控装置（5）对不同路径上的纤维束进行张紧力实时调控，使每一段纤维束都处于不同张紧状态，完成防热层（1）预制体的织造；