一種100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶及其制造方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及航天器設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種大容積、耐高壓、質(zhì)量輕、效率高碳纖 維纏繞超薄鋁合金內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶及其制造方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 復(fù)合材料氣瓶由于具有重量輕、可靠性高、破裂前先泄漏（LBB)的安全失效模式 等一系列優(yōu)點，在航天技術(shù)領(lǐng)域中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，它可增大有效載荷比、降低發(fā)射 成本、提高使用安全性，因此，在航天系統(tǒng)中已逐漸取代傳統(tǒng)的金屬材料氣瓶?，F(xiàn)有航天器 系統(tǒng)中采用的復(fù)合材料氣瓶普遍存在容積小、壓力低、重量大、成本高的弊端，一般容積不 大于60L，工作壓力不高于30MPa，采用2倍結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)。然而，隨著航天技術(shù)的迅猛 發(fā)展，新一代先進的航天器發(fā)動機系統(tǒng)中需求容積更大，壓力更高，重量更輕的新型復(fù)合材 料氣瓶。尤其是復(fù)合材料氣瓶的減重要求是制約新一代先進發(fā)動機系統(tǒng)研制和發(fā)展的技術(shù) 瓶頸之一。
[0005] 1970年以來，飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等飛行器高功率重量比的需要，航空航天科 學(xué)家們研制出了各種先進復(fù)合材料，如玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖 維、Kevlar纖維、PBO纖維等高性能增強材料。碳纖維是20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的 高新材料，因具有高強度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、導(dǎo)電、傳熱等特性，而被廣泛用于航 天系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和復(fù)合材料壓力容器。以T1000為代表的碳纖維具有顯著的性能優(yōu)勢，在當(dāng) 前空間復(fù)合材料壓力容器的纏繞纖維中占據(jù)主導(dǎo)地位。
[0006] 早期復(fù)合材料氣瓶是從金屬材料氣瓶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此設(shè)計重點關(guān)注在 能夠承壓的金屬內(nèi)襯上，不太關(guān)注外面的纏繞層，認(rèn)為纏繞層主要是為了提高產(chǎn)品可靠性， 對金屬內(nèi)襯強度給予補充。因此，早期金屬內(nèi)襯多為負載型（load-sharing)，即內(nèi)襯和復(fù)合 材料纏繞層共同分擔(dān)內(nèi)壓，內(nèi)襯也是承載結(jié)構(gòu)要素之一，厚度較大(約為不用纖維纏繞時全 金屬容器壁厚的1/4~1/2)。隨著對金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料這種組合結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷提高， 以及薄壁金屬內(nèi)襯工藝制造水平的大幅提高，薄壁型（thin-liner)金屬內(nèi)襯/纖維纏繞壓 力容器在航天器上廣泛采用，重量大大減輕。薄壁金屬內(nèi)襯主要起到密閉增壓介質(zhì)，提供纏 繞芯模，自身不分擔(dān)載荷，壁厚可做得極薄，復(fù)合材料纏繞層作為承載結(jié)構(gòu)。
[0007] 常用的金屬內(nèi)襯材料有鋁合金、不銹鋼、純鈦、鈦合金、因科乃爾合金等。對于高循 環(huán)壽命應(yīng)用的壓力容器宜采用較高屈服強度材料如鈦合金、不銹鋼、因科乃爾合金內(nèi)襯，工 作時內(nèi)襯應(yīng)變處于彈性范圍。對于低循環(huán)壽命應(yīng)用的壓力容器采用鋁合金或純鈦超薄內(nèi) 襯，工作時內(nèi)襯應(yīng)變處于塑性范圍。航天系統(tǒng)中的壓力容器多數(shù)屬于低循環(huán)壽命應(yīng)用的壓 力容器，因此采用超薄鋁內(nèi)襯或鈦內(nèi)襯更加適宜、經(jīng)濟。然而，從制造工藝來看，目前只有鋁 內(nèi)襯能夠制造無焊縫結(jié)構(gòu)，鈦內(nèi)襯只能制造焊接結(jié)構(gòu)。多數(shù)復(fù)合材料氣瓶的非正常低壓失 效是由于金屬內(nèi)襯的焊接質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的，無縫鋁合金內(nèi)襯具有無焊縫 的特點，大大降低了復(fù)合材料氣瓶的非正常失效的機率。另外，由于鈦的密度大，由工藝所 限壁厚也做不到非常薄，所以鈦內(nèi)襯通常比鋁內(nèi)襯重量更重；由于鈦材比鋁材貴，且鈦內(nèi)襯 的加工工藝(包括焊接）更復(fù)雜，所以鈦內(nèi)襯要比鋁內(nèi)襯成本更高。
[0008] 因此鋁內(nèi)襯/碳纖維復(fù)合材料氣瓶更適于航天系統(tǒng)使用，目前國內(nèi)尚無 100升超 薄鋁內(nèi)襯的應(yīng)用先例，現(xiàn)有小容積的鋁內(nèi)襯一般也壁厚較厚，在復(fù)合材料氣瓶中所占的重 量比較大，且由于鋁內(nèi)襯僅起到密閉增壓介質(zhì)的作用，自身不分擔(dān)載荷，這就限制了復(fù)合材 料氣瓶的結(jié)構(gòu)效率PV/W (P為氣瓶爆破壓力，V為氣瓶容積，W為氣瓶重量)，通常為20km~ 25km〇
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種容積大、耐高壓、效率高、質(zhì)量輕、安全 性高、成本低、制造周期短、工作壓力為35MPa、100L碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶，同時 還提出了該碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的制造方法。
[0011] 為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣 瓶，包括縫鋁內(nèi)襯、安裝底座、粘接層和碳纖維復(fù)合材料層；安裝底座與無焊縫鋁內(nèi)襯構(gòu)成 光滑平整的纏繞芯模；芯模外部纏繞碳纖維復(fù)合材料層；芯模與碳纖維復(fù)合材料層之間安 裝有粘接層，牢固連接無焊縫鋁內(nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料層。
[0012] -些實施例中，無焊縫鋁內(nèi)襯采用6061-T6鋁合金板材或餅材制造，由接管嘴、橢 球封頭、圓柱段、橢球封底四部分組成；接管嘴與橢球封頭光滑無縫連接，接管嘴和橢球封 頭、橢球封頭和圓柱段、圓柱段和橢球封底之間的過渡區(qū)域采用變壁厚補強。
[0013] 進一步，所述粘接層是均勻粘貼或涂刷在無焊縫鋁內(nèi)襯外表面的粘接劑薄 層。碳纖維復(fù)合材料層采用的增強材料為T1000碳纖維，基體材料由鳳凰牌電子級 環(huán)氧樹脂與改性脂環(huán)胺固化劑按照環(huán)氧當(dāng)量配比混合而成；碳纖維復(fù)合材料層采 用多向螺旋與環(huán)向纏繞方式的等強度鋪層，所述等強度鋪層由內(nèi)向外的鋪層順序為
爆破強度安全系數(shù)不低于1.5。
[0014] 本發(fā)明的另一技術(shù)方案在于提出一種100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶制 造方法，包括以下步驟： 步驟1 :制造加工無焊縫鋁內(nèi)襯； 步驟2 :粘接安裝底座； 步驟3 :粘貼或涂刷粘接層； 步驟4 :纏繞碳纖維復(fù)合材料層； 步驟5 :碳纖維復(fù)合材料層固化； 步驟6 :氣瓶"自緊"處理，固化成型的氣瓶按照建模仿真所確定的自緊壓力，逐只進行 "自緊"處理。
[0015] 進一步，所述步驟1采用鋁合金6061-T6板材或餅材，先經(jīng)過多道拉深和退火處理 制成無焊縫鋁內(nèi)襯的橢球封底和圓柱段；然后采用數(shù)控旋壓收口工藝對橢球封頭和接管嘴 進行收口成型；最后通過機械車削和化學(xué)銑切等保證無焊縫鋁內(nèi)襯的尺寸和壁厚。
[0016] 進一步，所述步驟2和步驟3中，先將安裝底座粘接在無焊縫鋁內(nèi)襯的橢球封底的 極點處，形成纏繞芯模；然后在無焊縫鋁內(nèi)襯的橢球封頭、圓柱段和橢球封底及安裝底座的 外表面粘貼或涂刷粘接層。
[0017] 進一步，所述步驟4使用三束浸膠的T1000碳纖維纏繞，纏繞時對纖維施加一定的 張力，隨著纏繞的進行，纖維張力由內(nèi)向外逐漸遞減，張力范圍為37N~15N，碳纖維的體積 含量達到0.67。
[0018] 進一步，所述步驟5纏繞結(jié)束后對氣瓶進行固化，固化過程中，氣瓶繞軸線以5~ 10r/min的轉(zhuǎn)速作回轉(zhuǎn)運動，固化制度依次為： 1) 以0. 6±0. 1°C /min的升溫速度升高到40±3°C，保溫2小時； 2) 以0. 6±0. 1°C /min的升溫速度升高到80±5°C，保溫2小時； 3) 以0. 6±0. 1°C /min的升溫速度升高到120±5°C，保溫2小時； 4) 以0. 6±0. 1°C /min的升溫速度升高到140±5°C，保溫3小時； 5) 以不超過：TC /min的速度使氣瓶冷卻到室溫，實現(xiàn)固化。
[0019] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明的100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶具有耐高壓、大容積、長度長、質(zhì)量輕 的特點，采用1. 5倍安全系數(shù)，且具有較高的結(jié)構(gòu)效率PV/W (P為氣瓶爆破壓力，V為氣瓶 容積，W為氣瓶重量)，PV/W值至少為31Km，最高可以達到35Km。
[0020] 使用本發(fā)明所述方法制造的復(fù)合材料氣瓶具有效率高、質(zhì)量輕、低成本、短周期等 優(yōu)點，其中超薄無焊縫鋁內(nèi)襯具有重量輕、制造成本低、工藝性能穩(wěn)定的特點。通過鋁內(nèi)襯 的變壁厚補強設(shè)計達到最大限度減重目的，通過合理的變角度纖維纏繞鋪層設(shè)計和固化制 度，保證使用最少的纖維達到強度要求，纏繞層結(jié)構(gòu)效率達到51Km以上，并保證氣瓶破壞 撕裂起始于氣瓶的筒體部位，爆破無碎片。
[0021] 結(jié)合附圖，根據(jù)下文的通過示例說明本發(fā)明主旨的描述可清楚本發(fā)明的其他方面 和優(yōu)點。
[0022]
【附圖說明】
[0023] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯： 圖1為本發(fā)明100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為無焊縫鋁內(nèi)襯和安裝底座構(gòu)成的纏繞芯模的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶制造方法流程圖。
[0024]
【具體實施方式】
[0025] 參見示出本發(fā)明實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以 許多不同形式實現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是 為了達成充分及完整公開，并且使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員完全了解本發(fā)明的范圍。這些附 圖中，為清楚起見，可能放大了層及區(qū)域的尺寸及相對尺寸。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種100升碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶，主 要由無焊縫鋁內(nèi)襯1、安裝底座2、粘接層3和碳纖維復(fù)合材料層4構(gòu)成。無焊縫鋁內(nèi)襯1由 接管嘴11、橢球封頭12、圓柱段13和橢球封底14四部分組成，其與安裝在橢球封底14極 點處的安裝底座2構(gòu)成光滑平整的纏繞芯模；芯模外部纏繞碳纖維復(fù)合材料層4 ;芯模與碳 纖維復(fù)合材料層4之間安裝有粘接層3,牢固連接無焊縫鋁內(nèi)襯1與碳纖維復(fù)合材料層4。
[0027] 所述無焊縫錯內(nèi)襯1的圓柱段13的外徑D為326mm、長度Ll為1090mm，橢球封 頭12和橢球封底14外型面的橢圓曲面矢高L2為111mm，保證鋁內(nèi)襯容積為100L，接管嘴 11的外螺紋為M24、通徑為Φ8πιπι，接管嘴11與橢球封頭12光滑無縫連接。由于鋁內(nèi)襯主 要用作纏繞芯模和密閉氣體，設(shè)計中假設(shè)其不承受內(nèi)壓載荷，由復(fù)合材料層承受全部內(nèi)壓 載荷，故為使鋁內(nèi)襯重量盡量做輕，將鋁內(nèi)襯的壁厚盡可能地減薄，在其接管嘴11和橢球 封頭12、橢球封頭12和圓柱段13及圓柱段13和橢球封底14等部分之間的過渡區(qū)域采用 變壁厚補強設(shè)計，圓柱段13壁厚Tl為I. 3mm~I. 6mm，橢球封頭12和橢球封底14的壁厚 T2不小于2. 5_，圓柱段13與橢球封頭12和橢球封底14過渡區(qū)域壁厚T3的變化范圍為 I. 3mm~2