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猎鹰 发布于2017-07-22 03:32
11/1594

低成本高性能的碳纤维发动机制作

楼层直达
什么是碳纤维(来自百度百科):
   碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征,碳纤维是一种的力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为27GPa,拉伸模量约为200700GPa。密度约为1.52.0克每立方厘米,这除与原丝结构有关外,主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温3000石墨化处理,密度可达2.0克每立方厘。再加上它的重量很轻,它的比重比铝还要轻,不到钢的1/4,比强度是铁的20倍。碳纤维的热膨胀系数与其它纤维不同,它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随温度升高而下降平行于纤维方向是负值(0.720.90),而垂直于纤维方向是正值(3222)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关,在25时,高模量为775,高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点,可以称为新材料之王。
   碳纤维除了具有一般碳素材料的特性外,碳纤维编织布 其外形有显著的各向异性柔软,可加工成各种织物,又由于比重小, 沿纤维轴方向表现出很高的强度,碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。[11] 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500兆帕以上,是钢的79倍,抗拉弹性模量230430G帕亦高于钢;因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000兆帕以上,而A3钢的比强度仅为59兆帕左右,其比模量也比钢高。与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量)是玻璃纤维的3倍多;与凯芙拉纤维相比,不仅杨氏模量是其的2倍左右。碳纤维环氧树脂层压板的试验表明,随着孔隙率的增加,强度和模量均下降。孔隙率对层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量的影响非常大;拉伸强度随着孔隙率的增加下降的相对慢一些;拉伸模量受孔隙率影响较小。




制造碳纤维复合材料常用的工艺:
      很多人都没有见过碳纤维,很可能以为可能和钢板一样,是一整块。其实则不然,碳纤维和我们衣服的纤维差不多,都是一根根的细线。

图片:碳纤维丝.jpg


       我们常看见碳纤维有一些漂亮的纹理,实际上这是和衣服差不多的布料,由无数的细丝编制而成。

图片:碳布.jpg


      既然碳纤维都是软得和布一样,为什么我们还会说碳纤维强度大呢?
      其实这是混淆了刚度和强度这两个概念。刚度是抗变形的程度,也就是被掰弯的难易程度。强度是指抗断裂的程度,也就是会不会被扯断的程度。
      有的东西需要的是强度,比如压力容器。有的需要刚度,比如机床。
      作为防弹衣的凯夫拉纤维,穿在身上也很舒♂服,但是子弹却无法将它扯断,从而保护人的安全。假如这件背心是凯夫拉纤维做的,我想完成这个动作难度就会大很多。

图片:4bc613b4a24259a430add11c.gif


        既然碳纤维就和布差不多,为什么做出的东西都是硬的?
        其实我们之前对碳纤维的叫法是错误的,我们说的碳纤维其实是指碳纤维增强塑料,类似的材料还有玻璃钢(也就是把碳纤维换成玻璃纤维)。其中刚度部分是由塑料提供(比如环氧树脂这类粘合剂),强度由纤维提供,各种性能相互弥补。虽说是弥补,实际上的两边都不如,主要性能更偏向于强度,所以在需要极高刚度的场合通常都看不到纤维增强塑料。
        碳纤维增强塑料制作方法如下,看了后大概会明白的。http://www.bilibili.com/video/av10226207/?from=search&seid=6955274514779762155
 
 
1.      缠绕
      碳纤维本来就是丝,所以可以像裹毛线球一样,把丝一圈圈缠上,这样可以根据所需强度的不同分配缠丝的量,比如细的地方就比粗的地方需要的丝更少。这种工艺很容易获得最大的强度。当然这种工艺也不适合爱好者,因为太麻烦(想想TC的次级线圈就够蛋疼了,这玩意还麻烦得多)。

图片:缠绕1.jpg


图片:缠绕2.jpg







2.      包裹
       这种工艺就是像卫生纸一样,把碳纤维布像卫生纸卷一层一层得裹在一起。这种工艺虽然强度会有一些下降(其实影响并不到,因为碳纤维的重量相比于喷管还是很轻的)。这种工艺难度不算大,适合于爱好者使用。
 
3.      强度计算
        通过观察就可以发现,碳布实际上是几个不同方向构成的,也就是这样横竖两个方向
        只竖着的可以承受壳体的拉力(其实横着也不是不受力,那个主要负责喷管和堵头)。所以在计算壳体耐压的时候只需要算竖着的部分。因为纤维增强塑料并不是全部都是纤维,其中粘合剂占的体积也不小,为了保险起见,我计算时填入的强度是碳纤维抗拉强度的1/3,卖家给出的碳纤维3000MPa,我填入的是1000MPa。

 

图片:碳布细节.jpg


6061抗拉强度300MPa,密度2.7,比强度111。
45钢抗拉强度600MPa,密度7.8,比强度77
40cr抗拉强度1000MPa,密度7.8,比强度128(这材料看起来很不错,但是买不到啊,反正我买的全是假货)。
碳纤维增强塑料抗拉强度1000MPa,密度1.5,比强度667。
 
包裹的层数
       因为碳纤维是一层一层包裹的,所以我通常都会使用两层以上的数量。因为使用一层的时候,需要加入应该很小第二次用于与第一层粘在一起,这个地方往往是最脆弱的地方,而且就算加入了第二次(站阶层在第三层),多消耗的碳布也不会多太多。

图片:一层.JPG



     根据卖家给的数据,碳纤维布厚度为0.3mm,那么两层就是0.6mm。别看这个厚度很低,其实强度完全足够了。以市面上容易购买的55mm外径,50mm内径的薄壁铝合金管为例,我们做一个强度对比。
     铝合金耐压28MPa,重量为11.1g/cm。
     碳纤维耐压24MPa,重量为1.4g/cm



       通过对比我们可以发现,两者耐压能力差不多,但是铝合金重了很多。
如果使用高强度的40cr来做,这个数据会更高吗?
       其实使用40cr比铝合金还要重,因为无法加工得如此薄(和40cr强度相当的碳纤维壁厚仅仅0.6mm),对于50mm的直径,加工到1.5mm已经接近极限了(如果不相信,自己加工厂问问,我保证大部分不敢这样加工)。
40cr耐压58MPa,重量19g/cm    
       一个火箭发动机正常工作的压力通常也就4-10MPa,使用58MPa的壳体完全是浪费,还不如降低一点强度,使用重量更轻的铝合金。  
 

发动机的制造:

1.      发动机的结构

图片:结构图2.jpg



碳纤维虽然抗拉强度很高,但是实际上对剪切力来说还是没办法的,毕竟裁剪碳纤维布都是使用剪刀,所以使用螺丝等方法固定喷管是堵头难度大(当然厚壁的也没问题)。因此我采用了折叠的方式固定,也就是把多余的碳纤维弯曲到里面(这个不好解释,直接看图)。

 

图片:IMG_20170722_023427R.jpg


   2.粘接药柱与喷管
   为了方便包裹碳纤维,同时也是为了防止燃气烧到壳体,需要先把喷管药柱和堵头使用环氧树脂粘在一起。如果工作时间较长的还可以在药柱外部贴上高硅氧隔热胶布。

图片:粘好的药柱与堵头喷管.jpg




  
3.剪出尺寸合适的碳纤维布
在裁剪的过程中有一个小技巧,那就是要先用纸胶带粘一下需要裁剪的地方。不然剪出来的地方会出现碳纤维丝分离,对后面的制作很不方便。

  

图片:碳纤维布.jpg


图片:1500662484162.jpg

 
 
4.      包裹与刷环氧树脂
     1. 此过程需要戴一次性手套,就是吃华莱士手扒鸡用的那种,不然手上弄有环氧树脂很恶心的。
     2. 为了方便后面的包裹建议先用胶带把碳纤维布和药柱粘在一起,这时候还可以适当使用一些快干强力胶比如502,因为在浸泡了环氧树脂之后,胶带的粘力会大幅下降。

    

图片:胶带固定.JPG


      3. 使用一次性杯子(纸和塑料均可),越便宜越好毕竟是一次性的东西,混合少量的环氧树脂,因为这个发动机很小,所需的环氧树脂非常少,多了也是浪费。还不如把这部分环氧树脂用作第二次刷。

     4. 使用刷子蘸取环氧树脂涂在所需粘接的碳纤维下面,这个量要少次数多,这样比较均匀。关于刷子买小的就行,反正发动机也不大,最关键是刷子是一次性的东西,越便宜越好。在刷环氧树脂的过程中最好保证碳纤维布两边不要沾上太多,因为固定喷管和堵头需要将其弯曲。这里有一个注意事项,就是包裹的过程一定要轻,包好了一部分要用手拍一拍压一压,保证压实,千万不能拧,否则之前固定的胶布会脱落,结果是啥你们自己感受。


图片:刷子.JPG




5.对喷管处进行加固
     关于喷管的加固其实有两种办法,第一种是先给碳纤维刷上环氧树脂(其实不是刷了,一次一个刷子太贵,我是直接用纸杯倒上去,然后用手涂抹均匀,反正戴了手套也不怕),然后使用一块板子压住,之后将其竖直放置压上重物,等待环氧树脂凝固。

图片:喷管堵头固定1.jpg



      还有一种办法就是直接浇筑,这样简单一些,不过发动机会稍微重一点点。先用胶带把口子缠绕一下,因为胶带有弹性会自然呈现出一个圆台状,这时候把环氧树脂倒进这个圆台内就行了。相比于之前的方案要简单一点。这里有一个注意事项,就是下方的胶带一定要多缠几层,因为接触了环氧树脂的胶带粘力下降很多。

图片:喷管堵头固定2.jpg



虽然照片里面看起来有花瓣状,其实在里面有碳纤维支撑的情况下是不会出现的。

 

图片:1500662191245.jpg



6.再次刷环氧树脂
   当第一次环氧树脂凝固之后,我们还得刷第二层,毕竟第一层真的很薄,不能保证完全粘住碳纤维布,甚至横竖碳纤维丝之间还会有缝隙,造成漏气。此步骤会再消耗一个刷子。
   在刷完之后,最好使用保鲜膜包裹一下,因为在保鲜膜的包裹下表面会更平整。
 
7.抛光
因为表面的环氧树脂凝固之后并不是很光滑的,看起来很难看,需要抛光。当然如果不在乎外貌的这一步就可以省去。
 

做好后发动机的数据:

       此发动机是固液混合型(没硝酸钾了,没法做固体火箭),固体燃料为聚丙烯,密度为0.9,质量为347g。

图片:重量.jpg



      整个发动机总重量仅仅只有446g,此时燃料的质量比达到了惊人的77.8%。
      其实77.8%的质量比并不高,因为聚丙烯的密度仅仅只有0.9,如果推进剂为RNX,APER这一类密度1.5左右的推进剂,质量比可以达到85.3%。如果是APCP这类含有大量铝粉使得密度达到了1.8的推进剂,此时质量比达到了惊人的87.4%。航天飞机的助推器质量比也就90%而已(毕竟那玩意还加入了矢量喷管和降落回收系统,质量比低也正常)。
     不过实际上固体火箭的质量比还是会略低一点,毕竟推进剂的燃烧速度快,必须得考虑侵蚀燃烧的现象,这样使得药住的中空部分要大一些。
      当然我这个发动机也不是最优设计,其中发动机干重99g,其中碳纤维壳体仅仅只有39g,还不到一半,喷管和堵头才是最重的部分。因为为了降低成本,使用简化工艺,并没有对喷管进行削薄处理,如果进行了削薄,这两个的重量减半也是可以的。

图片:喷管.JPG



 





发动机测试:
工作状况良好,我担心的堵头处强度不够的现象并没有出现。壳体强度也足够,并没有炸,看来碳纤维的强度还是足够的。火焰亮度实在是太大了,没有滤光片果然拍不下马赫环。

 

图片:bitmap_sharing_0.png


 



成本:
       很多人可能会担心使用碳纤维发动机会不会价格过高,其实和某些的报道相反,其成本低于之前金属发动机的方案,非常适合于爱好者的推广。
          1.碳纤维布价格:120元/m2(240g),这台发动机使用了0.09m2(还有一些边角料不能用,大致消耗了0.1m2),碳布价格为12元。碳布的价格甚至低于使用铝合金。
          2.喷管堵头价格:酚醛树脂35元/kg,喷管堵头使用了200g,费用7元。加工费为34元,一共41元。
          3.环氧树脂价格:50元/kg,这次使用了50g(因为涂了很多次,大部分都是浪费了),大概2.5元。
          4.耗材:刷子两把1.6元,保鲜膜+手套+纸杯也就几毛钱,这些耗材加起来算2元吧。
          总价:57.5元,其中加工费超过了一半,达到了34元,如果自己有条件加工,这部分钱就可以省下来,总价为23.5元。成本价和之前公开的《低成本金属火箭发动机方案》(链接如下:http://bbs.makertime.org/read-606)价格相当,但是质量比相比之前不知道高到哪里去了。非常适合于爱好者的推广。
 

性能优势:
       这里我们可以做一个计算,使用50mm碳纤维发动机与金属发动机用于发射一个500g的载荷(发动机工作完毕后便抛弃,因为发动机很重,回收伞占的体积实在是太大了),所需发动机大小的对比。

 

图片:对比数据.JPG


图片:对比图像.JPG



 
 
       通过图像大致可以看出,相同的飞行高度,金属发动机的体积差不多是碳纤维发动机的1.5倍。当然这样的结果还是假设发动机直径相同的情况,实际上限制一枚火箭截面积的往往是长径比,长径比过大就很容易断,所以在实际设计中,发动机变长后为了保证强度,也会加粗,这样空气阻力会增大,飞行高度会下降。

 

图片:对比图像1.5倍.JPG







缺点:
其实缺点也不算太多了,大概也就这几个。
1.      脏,比较要大量接触环氧树脂,弄不好就会弄在身上和地上,非常难以打扫。
2.      费时间,因为过程中需要等好几次环氧树脂的凝固,基本上准备一台发动机就需要一天的时间。
3.      不便于与上面的舱室对接,不过这个问题还是可以解决的。比如加一个这样的转接头,直接使用环氧树脂粘接就行,顺便还能当成压堵头处碳纤维的板子。

图片:连接器.jpg

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陈科帝 发布于2017-07-22 12:33
沙发F
成本居然这么低。简直太棒。
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莫斯科的黄斯基 发布于2017-07-22 20:28
板凳F
刷环氧树脂之前将环氧树脂提前预热可以大大缩短固化时间
Ангельские ритмы!
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猎鹰 发布于2017-07-22 21:12
地板F
莫斯科的黄斯基:刷环氧树脂之前将环氧树脂提前预热可以大大缩短固化时间回到原帖
千万不能加热,在夏天的气温之下,就算正常混合后在刷的过程中就会开始固化(刷的过程中可以明显感觉到固化发热)。制作一台发动机以下步骤需要使用环氧树脂:1.粘喷管、药柱、堵头。2.刷环氧固定碳纤维布。3.粘喷管。4.粘堵头。5.表面再刷环氧树脂。每一次要保证完全固化需要一个小时。加起来差不多五小时。在固化过程中加热确实可以缩短时间,但是不可能一直在那里加热,太浪费时间。如果使用恒温箱很方便,但是有这个的人非常少。
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KFWJ 发布于2017-07-22 23:22
4楼F
洼   终于看到有朋友继续折腾碳纤维发动机了,想当年俺在裤衩论坛做了发布了一些  碳纤维发动机初次作品,。后来 后来.......被禽用良等一伙人把我批斗一番 “理由是搞江湖科学拉帮结派……” 。不说了说多了都是泪。衷心的祝愿MT越办越好。能真正的 研讨真正的科技爱好。本人现在只剩下钓鱼的爱好了,有喜欢钓鱼的朋友欢迎私信我。
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KFWJ 发布于2017-07-23 00:01
5楼F
猎鹰:千万不能加热,在夏天的气温之下,就算正常混合后在刷的过程中就会开始固化(刷的过程中可以明显感觉到固化发热)。制作一台发动机以下步骤需要使用环氧树脂:1.粘喷管、药柱、堵头。2.刷环氧固定碳纤维布。3.粘喷管。4.粘堵头。5.表面再刷环氧树脂...回到原帖
有个细节很重要。就是堵头和喷嘴两端收口的地方一定要做成圆弧 增加碳纤维的抗剪切力。
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最后之作 发布于2017-07-23 03:01
6楼F
为什么自制的碳纤维管如此之薄都能正常工作,我买的2.5mm壁厚的碳管却炸机了,,,,,,
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猎鹰 发布于2017-07-23 17:33
7楼F
最后之作:为什么自制的碳纤维管如此之薄都能正常工作,我买的2.5mm壁厚的碳管却炸机了,,,,,,回到原帖
首先我的压力很低(2MPa),还有就是你的碳纤维是哪里出现的断裂,如果是壳体,那么你肯定买了劣质产品,如果是堵头喷管处因剪切而断裂那就是结构设计的问题了,因为碳纤维几乎梅姨抗剪切的能力,0.6mm的碳纤维使用剪刀都可以轻易剪开。
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最后之作 发布于2017-07-23 18:29
8楼F
猎鹰:首先我的压力很低(2MPa),还有就是你的碳纤维是哪里出现的断裂,如果是壳体,那么你肯定买了劣质产品,如果是堵头喷管处因剪切而断裂那就是结构设计的问题了,因为碳纤维几乎梅姨抗剪切的能力,0.6mm的碳纤维使用剪刀都可以轻易剪开。回到原帖
估计是买到假货了,,,整条管子纵向裂开。如果我想在药柱和喷管上卷碳布的话,如何避免手工制作带来的不均匀问题?
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xian333c 发布于2017-07-23 23:24
9楼F
碳纤维实在是在发动机减重上非常有优势,这点我一直是很看好的。

长期以来我认为火箭/发动机的减重优化一直是一个弊病,无论是箭体的减重,还是发动机的减重。显然在提高DeltaV的过程中,现在坠大的问题就是干质比太低。现在看来碳纤维确实在减重上很有优势,甚至可能在DeltaV上一高一个次元……
噗嗤
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ryq1212 发布于2017-07-28 00:21
10楼F
最后之作:估计是买到假货了,,,整条管子纵向裂开。如果我想在药柱和喷管上卷碳布的话,如何避免手工制作带来的不均匀问题?回到原帖
碳管是不是绝大部分纤维都是轴向的?如果是那样的话那裂开也很正常。毕竟拿碳布卷的管子还有大量纤维是呈环状垂直于轴向的,所以耐压会高很多。
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最后之作 发布于2017-07-29 10:32
11楼F
ryq1212:碳管是不是绝大部分纤维都是轴向的?如果是那样的话那裂开也很正常。毕竟拿碳布卷的管子还有大量纤维是呈环状垂直于轴向的,所以耐压会高很多。回到原帖
就是买的40*45碳布卷管,你应该是说那种模压成型的,一般都在20mm以下,航模的机架或者加强材料常用,抗弯折但是基本没有耐压能力
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