[发明专利]一种复合材料接头及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合材料接头及其制备方法，该复合材料接头包括金属嵌件和接头本体，金属嵌件是一非轴对称结构的台体，其小端设有安装机构，安装机构用于连接外部机构；接头本体包括基体和铺设于基体表面的蒙皮；基体包覆在金属嵌件周围，且暴露出安装机构；基体由短切纤维模压层和碳纤维预浸料铺层交替铺设而成，且短切纤维模压层和碳纤维预浸料铺层均垂直于金属嵌件轴线；蒙皮由碳纤维预浸料铺层和微细杆组成，微细杆垂直于蒙皮。本发明通过金属嵌件结构优化、基体铺层结构优化以及蒙皮铺层层间增强，避免了复合材料接头在受载时层间提前失效，能够大大提高复合材料接头的承载能力，从而可以通过结构优化进一步降低复合材料接头的消极质量。

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种固体火箭发动机壳体用复合材料接头及其制备方法。

背景技术

固体火箭发动机轻质化是体现其先进性的重要指标之一，发动机复合材料壳体的前、后接头是壳体纤维缠绕时所必需的，且是发动机工作过程中的重要受力和连接件，传统的复合材料壳体接头采用金属结构，其在壳体总质量中约占15％的比重。将壳体前后接头复合材料化，采用复合材料方案，壳体显著降低发动机消极质量。中国专利CN108332051A和CN109203510A均公开了复合材料接头的制备方法，采用碳纤维铺层替代了金属材料，虽然起到了减重效果，但是未充分利用复合材料的可设计性，主要是由于复合材料的层间剪切强度远小于其拉伸、弯曲等强度，然而由于复合材料接头的受载复杂性，往往会在层间率先失效，因此，复合材料接头的承载能力仍然有较大的提升空间。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的缺陷，提供一种固体火箭发动机壳体用复合材料接头及其制备方法，通过金属嵌件结构优化、基体铺层结构优化以及蒙皮铺层层间增强，避免了复合材料接头在受载时层间提前失效，能够大大提高复合材料接头的承载能力，从而可以通过结构优化进一步降低复合材料接头的消极质量。

本发明提供的一种复合材料接头，包括：

金属嵌件，其为一非轴对称结构的台体，其小端设有安装机构，安装机构用于连接外部机构；和

接头本体，其包括基体和铺设于基体表面的蒙皮；基体包覆在金属嵌件周围，且暴露出安装机构；基体由短切纤维模压层和碳纤维预浸料铺层交替铺设而成，且短切纤维模压层和碳纤维预浸料铺层均垂直于金属嵌件轴线；蒙皮由碳纤维预浸料铺层和微细杆(Z-pin)组成，微细杆垂直于蒙皮。

在上述技术方案的基础上，接头本体为带颈法兰，基体为由凸台部和肩部组成的一体成形体，凸台部为一环形台，肩部为环绕且毗邻凸台部的一环形盘，金属嵌件包埋于凸台部内，且平行于凸台部的轴线。

在上述技术方案的基础上，肩部的底面垂直于凸台部的轴线，且一边与凸台部的内周面连接；肩部的顶面为倾斜面或弧面，其一边与凸台部的外周面连接，其远离凸台部的一边与肩部的底面毗连。

在上述技术方案的基础上，蒙皮包括蒙皮一和蒙皮二，蒙皮一铺设于肩部的顶面和凸台部的外周面，蒙皮二铺设于凸台部的内周面和肩部的底面，且蒙皮二的厚度大于蒙皮一。

在上述技术方案的基础上，金属嵌件设有止挡部，止挡部用于防止金属嵌件周向旋转或轴向移位。

在上述技术方案的基础上，止挡部设于金属嵌件大端，其为一直径大于金属嵌件大端的台体，且金属嵌件侧面设有平切面，平切面用于抵抗扭转力。

在上述技术方案的基础上，金属嵌件小端端面略低于基体端面，当连接外部机构螺纹连接在金属嵌件小端时会对复合材料接头本体进行挤压，形成密封空间。

在上述技术方案的基础上，安装机构为沿金属嵌件轴线向内延伸的螺纹孔。

本发明提供的制备上述复合材料接头的方法，包括以下步骤：