CN100491805C

CN100491805C - 碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法

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Publication number: CN100491805C
Application number: CNB2005100892279A
Authority: CN
Inventors: 赫晓东; 王荣国; 苏忠华; 刘文博; 苏钝
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: CN1749632A

Abstract

碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，涉及一种纤维缠绕复合材料高压气瓶的制造方法。针对现有高压气瓶制造工艺存在高压气瓶存在重量大、强度低、成本高、气密性不好的弊端，本发明的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法包括制造金属内衬(1)、在金属内衬(1)外面缠绕碳纤维复合材料层(2)和固化过程，所述金属内衬(1)的制备过程依次包括以下五个步骤：a.旋压拉伸封头(1-1)；b.再结晶退火处理；c.机械加工；d.端头焊接；e.焊制整体。用本发明所述方法可以制造出重量轻、气密性好、强度高、成本低的碳纤维复合材料高压气瓶。

Description

碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法

本申请是申请号为200510010152.0的分案申请，原申请日为2005年7月4日，原申请名称为“碳纤维复合材料高压气瓶及其制造方法”。

技术领域：

本发明涉及一种纤维缠绕复合材料高压气瓶的制造方法，特别是一种高性能超薄金属内衬碳纤维缠绕复合材料高压气瓶的制造方法。

背景技术：

与传统的金属材料高压气瓶相比，复合材料高压气瓶具有重量轻、压力高，爆破前泄漏的安全失效模式等诸多优点。复合材料高压气瓶的这些优势使其越来越多的应用于各工业部门，在航空航天工业中，它是空间飞行器发动机系统及卫星控制系统的重要组成部分，其用途是携带轻质高压气体，以控制液态燃料、氧化剂、冷却剂等流体的流动。随着宇航事业的迅猛发展，对宇航器件的重量要求更加严格。轻质、高强、可重复使用的复合材料高压气瓶对于减轻发动机重量、提高飞行器性能、降低发射成本等具有重要意义，这也是发展复合材料高压气瓶最主要的推动力。因此在合理选择原材料的基础上，有必要对传统的结构及制造方法进行优化设计，千方百计地充分发挥材料的潜力，在满足性能要求的前提下，尽可能地减少其无效重量，达到轻量化目的。

金属内衬复合材料压力容器的基本技术起源于20世纪60年代末70年代初。

高性能碳纤维具有非常高的比强度、比刚度，适合于生产轻质高压气瓶。但是，由这些纤维生产的复合材料层板具有相对较高的渗透性，不能长时间贮存高压液(气)体或低压气体。因此，复合材料高压气瓶必须有一个内衬保证气密性，防止贮存物泄露。由于复合材料层是主要的承载结构，内衬主要起气密性作用。因此，气瓶效率PV/W随着内衬重量的增大而减小。对于高压或气体贮存物，尤其是渗透性强的贮存物(如氦气)，通常使用金属内衬，这些金属内衬可以作为承载的结构件也可以作为不承载的非结构件。

对于轻质、高压气体贮存物，目前主要有两种基本技术：(a)处于屈服状态的金属铝内衬碳纤维/环氧复合材料气瓶；(b)承载内衬(如不锈钢、钛合金等)凯夫拉/环氧复合材料压力容器。其中，铝内衬碳纤维/环氧复合材料贮箱是目前最流行的技术，但这种技术也存在缺点：首先，由于碳纤维的变形能力远远大于铝内衬的弹性变形能力，内衬在每次压力循环中都会屈服，气瓶的循环寿命因此被限制在100次左右，这也说明这种内衬基本上是非结构的——它仅仅防止贮存物泄露、但承载能力很小，增加气瓶重量。这种气瓶的最大效率PV/W(P是爆破压力)通常达到20Km。制造内衬封头的工艺常用的有两种：旋压、冲压。其中，冲压技术只适合于制造厚封头，制造薄封头时容易出现开裂等问题，降低了制品的安全性；而旋压技术则可用于制造薄壁封头，具有较好的质量稳定性。

第二类复合材料高压气瓶所使用的内衬具有更高的弹性极限，因而内衬在每个工作循环周期内均处于弹性范围之内。这说明这种气瓶可能更加有效；但其效率也是20Km左右，因为工艺所要求的厚度较大并且钛合金密度较大，导致钛内衬的重量大于其它金属内衬。这类承载内衬高压气瓶通常具有更高的循环寿命，但是由于其所选用的材料及所要求的工艺，制造成本比铝内衬高压气瓶高得多。

发明内容：

针对现有高压气瓶制造工艺存在高压气瓶重量大、强度低、成本高、制造周期长、气密性不好的弊端，本发明提供一种重量轻、强度高、成本低、制造周期短、气密性好的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法。一种碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，它包括制造金属内衬1、在金属内衬1外面缠绕碳纤维复合材料层2和固化过程，所述金属内衬1的制备过程依次包括以下五个步骤：a.旋压拉伸封头1-1：封头1-1的旋压温度为430℃～530℃，旋压速度为200～650转/min，进刀量为0.3～0.7mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1；b.再结晶退火处理：再结晶温度为700℃～930℃，保温20～150分钟，然后以不超过50℃/min的速度降温至环境温度；c.机械加工：机械加工至前述过程中产生的氧化物材料被完全去除；d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起；e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬1。

本发明所得产品能够达到以下目标：用具有高强度、高弹性模量和高延展率的钛合金制造内衬，使得所制造的复合材料高压气瓶，具有较高的PV/W特征值，PV/W值至少为28Km，最高可以达到40Km，其中，P指的是爆破压力；V为气瓶的容积；W为气瓶的重量。由于所用内衬较薄，所以还能够明显提高高压气瓶效率。

本发明所述复合材料高压气瓶的制造方法能够制造出重量轻、可靠性高、成本低的高压气瓶。该方法具有如下创新点：1)封头及筒身是经过旋压拉伸一次成型的，减少了筒身段的纵向焊缝及封头与筒身段连接处的焊缝，提高了内衬性能，增大了复合材料高压气瓶的安全可靠性；2)机械加工端部接头；3)超薄金属内衬焊接方法；用于复合材料高压气瓶的每一步关键操作都必须进行优化，因为金属的应变水平足以使得金属发生屈服，而这种情况在全金属高压气瓶中是不允许发生的。下面将对这几个关键点进行简要的讨论。

1.旋压拉伸封头——旋压拉伸钛合金封头技术也许曾被用于制造全钛合金气瓶，但这种技术之前从未被用于制造碳纤维/环氧复合材料高压气瓶的金属内衬。由于之前所用的多是厚壁金属内衬(2.5mm以上)，可以冲压成型，但对于这种超薄金属内衬，无法冲压成型，这里选用旋压拉挤成型方法对于制造金属内衬封头而言具有创新性。行业标准封头旋压工艺被证明是不能满足本发明要求的，为了实现复合材料高压气瓶的预期性能，必须采取本发明要求的工艺步骤：如旋压温度，机械加工(如热处理后的机械加工以除去封头上的富氧化物材料)，热处理等，这样可以满足其作为内衬的特殊要求。与传统的冲压工艺相比，旋压工艺同时具有成本低、准备方便、随时可用的优点。

2.超薄钛合金金属内衬的焊接——在这里我们选择常见的TIG焊接工艺，因为这种焊接具有很多优点。如它不会引起合金元素的丢失，不会产生气泡，具有较高的焊接质量；电弧热量集中，热影响区小，焊件变形小；具有“阴极雾化”效应，能除去焊件表面的氧化物等。这种焊接技术也许曾用于制造全钛合金金属气瓶，但之前没有用于复合材料高压气瓶超薄金属内衬的制造。与封头的成型一样，工艺参数必须进行优化才能用于制造复合材料高压气瓶的超薄金属内衬，对于不同厚度的内衬应选择不同的工艺参数。

3.封头与其端部接嘴的组装焊接——用焊接将封头与其端部接嘴焊接在一起组成内衬的方法之前也没有用于复合材料高压气瓶的生产。这里我们选用TIG焊接主要是因为TIG焊接能够满足该情况对焊缝提出的高的延展性和低的翘曲的要求。

本发明所述方法能够同时满足低成本、短周期与高性能的要求，使用本发明所述方法可以得到厚度为0.5mm～1.8mm的金属内衬，它远远薄于现有的钛合金内衬，也比典型的铝合金内衬薄。

使用本发明所述方法制造的高压气瓶可用于航空航天结构，如可重复使用飞行器推进系统用复合材料高压气瓶、卫星控制系统用高压氦气瓶、宇航员生命保障系统内的呼吸用氧气瓶等。

附图说明：

图1是本发明所述高压气瓶的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法包括制造金属内衬1、在金属内衬1外面缠绕碳纤维复合材料层2和固化过程，所述金属内衬1的制备过程依次包括以下五个步骤：

a.旋压拉伸封头1-1：封头1-1的旋压温度为430℃～530℃，旋压速度为200～650转/min，进刀量为0.3～0.7mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1；

b.再结晶退火处理：再结晶温度为700℃～930℃，保温20～150分钟，然后以不超过50℃/min的速度降温至环境温度；这样处理之后，能够去除封头1-1中的残余应力，并明显提高内衬1的延展性和断裂韧性。

c.机械加工：机械加工至前述过程中产生的氧化物材料被完全去除；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起；

e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬1。

用本发明的制造方法得到的碳纤维复合材料高压气瓶包括金属内衬1和缠绕在金属内衬1外面的碳纤维复合材料层2，在金属内衬1的中心轴线两端的封头1-1上焊接有端头3，在碳纤维复合材料层2外面缠绕有环向肋4，所述金属内衬1是由拉伸屈服强度与弹性模量之比F^TY/E至少为0.6％、断裂延伸率至少为5％的钛合金制成，成品金属内衬1的厚度δ为0.5mm～1.8mm，这个厚度远远薄于现有的钛合金内衬，也比典型的铝合金内衬薄，内衬厚度变薄，高压气瓶的效率得到大大增加；金属内衬1的厚度δ与直径D的比为2.8×10^-3以下，经过技术攻关可以实现2.0×10^-3，1.5×10^-3，甚至1.1×10^-3，金属内衬1圆柱部分的长度L1与直径D的比至少为1.00，更好的情况下应该是大于1.25；所述金属内衬1的封头1-1为三点圆形封头形状。我们在传统基本设计的基础上通过对现有的几种封头形状进行分析后发现：等张力封头是一种最优的封头形状，但是限于中国基础工业还比较落后的现状，无法完全按照设计制造等张力封头，经过大量的理论分析与实验发现三点圆形封头是一种目前最佳的封头形状，可以近似代替等张力封头，所述封头1-1形状和厚度曲线以及复合材料层2在端部瓶嘴接头附近和筒身—封头连接处的结构形式是影响容器性能的重要参数。金属内衬1是通过旋压拉伸封头1-1、再结晶退火处理、机械加工、端头焊接和焊制整体五个步骤制备而成；所述碳纤维复合材料层2是碳纤维/环氧缠绕层，即将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺促进剂按照重量配比1：0.08～0.1：0.005～0.006的比例混合成为胶状，然后将浸胶后的碳纤维在金属内衬1外表面进行缠绕制备而成。碳纤维/环氧复合材料层是高压气瓶的主承载结构，在缠绕好的高压气瓶的筒身1-2两端再缠绕两个环向肋4，供与整体系统固定之用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，它还包括第六个步骤：清洗和打磨。在制备金属内衬1过程中，有具体实施方式一所述的五个步骤已经可以实现得到性能良好金属内衬1的目的，如果加上第六个步骤，即清洗和打磨过程，可以保证金属内衬1与其外面缠绕层之间的接触良好。比如在制备过程中，可以在金属内衬1外表面涂覆粘结剂，然后再缠绕复合材料层2，此时，经清洗和打磨过的金属内衬1外表面会与复合材料层2之间的粘接良好，从而使高压气瓶达到更加良好的性能。所述清洗和打磨过程依次为：(a)用质量百分比浓度为0.05％～0.15％的弱碱清洗内衬1表面5～10分钟；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的细金属刷子对金属内衬1表面进行机械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去离子水的细金属刷子对金属内衬1表面进行机械清洗；(e)去离子水冲洗；(f)在金属内衬1表面涂抹去离子水，形成均匀涂层而不发生破裂；(g)将金属内衬1放入55℃～65℃的真空干燥箱中干燥30分钟，待冷却后即可。

具体实施方式三：本发明要求制备金属内衬1的材料是拉伸屈服强度与弹性模量之比F^TY/E至少为0.6％、延伸率至少为5％的钛合金即可，只要能够达到上述性能的一切钛合金都可以制备本发明所要求的高压气瓶。满足这种条件的高性能金属可以从包含有Al、Fe、Ta、Mo、Sn、Cr、Si、Zr及V等合金元素的钛合金中选用，在实际操作中，比较常用的能够达到上述性能的钛合金材料有Ti-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo、Ti-6Al-4V、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr、Ti-11Sn-5Zr-2Al-1Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si或Ti-5Al-2.5Sn，上述材料只是实际应用举例，但并不限于所列举材料，只要能够达到所述要求的钛合金，都在本发明的保护范围之内。

具体实施方式四：具体实施方式一的金属内衬制造过程所述步骤中所要求的具体参数为所有可以制备本发明所述高压气瓶的钛合金所必须遵照的数值范围，只要在其范围内都可以得到本发明所述性能的金属内衬；在具体选择材料时，针对不同的材料其工艺参数可以在其范围内略有调整；采用TIG焊接方法也是通用的焊接方法，在焊接时根据不同材料进行调整所采用的电流、送丝速度及焊件的转动速度在本领域内也是公知常识。本实施方式选用了以Ti-6Al-4V材料做为金属内衬1进行制造高压气瓶，它的制备过程如下：

a.旋压拉伸封头1-1：封头1-1的旋压温度为480℃，旋压速度为400转/min，进刀量为0.5mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1；

b.再结晶退火处理：再结晶温度为900℃，保温一小时，然后随炉冷却至环境温度；

c.机械加工：机械加工至封头1-1表面产生的氧化物材料被完全去除；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起：焊接的电流为80～160A，送丝速度为2m/min～10m/min，焊件的转动速度为250mm/min～320m/min。

e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬1：焊接的电流为80～160A，送丝速度为2m/min～10m/min，焊件的转动速度为250mm/min～320m/min。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同之处在于，它选用了以Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr材料做为金属内衬1进行制造高压气瓶，它的制备过程如下：

a.旋压拉伸封头1-1：封头1-1的旋压温度为440℃，旋压速度为230转/min，进刀量为0.4mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1；

b.再结晶退火处理：再结晶温度为750℃，保温100分钟，然后以30℃/min的速度降温至环境温度；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起：焊接的电流为125～130A，送丝速度为4m/min～4.5m/min，焊件的转动速度为300±2mm/min。

e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬1：焊接的电流为125～130A，送丝速度为4m/min～4.5m/min，焊件的转动速度为300±2mm/min。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四、五的不同之处在于，它选用了以Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si材料作为金属内衬1进行制造高压气瓶，它的制备过程如下：

a.旋压拉伸封头1-1：封头1-1的旋压温度为470℃，旋压速度为600转/min，进刀量为0.6mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1；

b.再结晶退火处理：再结晶温度为900℃，保温20分钟，然后以10℃/min的速度降温至环境温度；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起：焊接的电流为60A，送丝速度为12m/min，焊件的转动速度为200±2mm/min。

具体实施方式七：在金属内衬1外面缠绕碳纤维复合材料层2可以通过现有的缠绕方法进行缠绕，如通过公开的专利申请01113813、名称为“正交缠绕的复合高压气瓶”所提供的缠绕方法进行缠绕，也可以实现本发明所述的轻质、高强、气密性好的目的。

本发明还提供了一种在金属内衬1外面缠绕碳纤维复合材料层2的方法，复合材料层2包括高强度纤维和树脂体系，复合材料层2是通过所述纤维缠绕技术排布在内衬1表面的，经实际试验证明，本发明提供的缠绕方法比以前的螺旋缠绕技术或螺旋与环向缠绕相结合的方式更加有效。

该缠绕过程为：

首先，将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺促进剂按照重量配比1：0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成为胶状，然后将碳纤维浸胶后立即在金属内衬1外表面进行缠绕，实验证明，这种组合能够在很宽的温度范围内具有非常好的拉伸强度及较高的断裂韧性。在纤维缠绕过程中采用张力递减制度，从250N递减到50N，并且含胶量控制在浸胶后碳纤维总重量的20～26％之间，为了防止内衬1在缠绕张力的作用下发生失稳，纤维缠绕的同时对金属内衬1实行加压，金属内衬1的内压起初为0.2Mpa，在缠绕1/3时增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa，在缠绕过程中，内衬1的内压逐渐增加可以抵消由于缠绕张力而施加在内衬1上的压力。

缠绕方式为：在筒身1-2上是环向缠绕和纵向缠绕相结合，在封头1-1上是螺旋缠绕或平面缠绕；

缠绕规律是：采用1～10度的小角度稳定缠绕及环向缠绕技术。

特种小角度稳定缠绕是本发明的另一个创新点——根据复合材料高压气瓶的受力特点，采用小角度稳定缠绕实现了纤维方向沿受力的主方向排列，充分发挥碳纤维优异的力学性能。在金属内衬1上采用上述稳定缠绕技术避免了传统的局部补强技术，大大减轻了高压气瓶的重量，提高了气瓶的效率，降低了制造成本，与传统的螺旋缠绕加环向缠绕的缠绕方式相比，小角度稳定缠绕技术更加有效。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式七不同之处在于，实验所使用的环氧树脂为凤凰牌高性能环氧树脂，碳纤维是T1000碳纤维。

具体实施方式九：本实施方式所使用的环氧树脂为凤凰牌高性能环氧树脂，碳纤维是T700碳纤维。

具体实施方式十：通过具体实施方式七所述过程既可以实现得到性能优良的碳纤维复合材料层2，为清楚起见，本实施方式描述了一种碳纤维的具体缠绕线型实施过程：纵向二层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向三层→固化→缠绕安装肋→表面修整；共作10次缠绕变换，在每次缠绕进行中不准断纱或做纱团更换工作，缠绕用四个纱团，直径要求接近或一致，保证共同工作，减少纱团转速比和张力的波动性；纵向缠绕角按1～10度安排；纵向缠绕由五次组成，每次变换缠绕角缠绕结束后，进行二次处理。

具体实施方式十一：在缠绕结束后，气瓶进行固化，固化过程为现在制备高压气瓶所共有的过程，通过现有的固化方法既可以实现本发明目的。本发明提供了一种固化方法，该固化方法被证明与本发明所述的金属内衬1和碳纤维复合材料结合使用具有更加优良的效果。在固化过程中，气瓶内的压力始终保持在0.4MPa以上；固化制度依次为：(1)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到70±2℃，保温20～25分钟；(2)70℃保温后，去除多余树脂；(3)以0.5～5℃/min的升温速度回升到70±2℃；(4)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到95±2℃，多余树脂从复合材料气瓶表面除去；(5)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到120±2℃，保温50～70分钟；(6)以不超过2℃/min的速度使得高压气瓶冷却到室温即完成固化。

具体实施方式十二：本实施方式以Ti-11Sn-5Zr-2Al-1Mo材料制备高压气瓶的金属内衬1，在金属内衬1外面使用本发明所述缠绕方法进行缠绕来制造高压气瓶。它的完整制备过程如下：

(1)制备钛合金内衬1：

a.旋压拉伸封头1-1：金属板应该具有足够的厚度来保证旋压的成功。封头1-1的旋压温度为500℃，旋压速度为200转/min，进刀量为0.7mm/转；封头1-1成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身1-2定型成为半个金属内衬1，封头1-1与筒身1-2圆柱段是旋压拉伸一次成型。通常情况下，通过该方法得到的金属内衬1的厚度不超过1.8mm，有时不超过0.8mm。

b.再结晶退火处理：再结晶温度为700℃，保温60分钟，然后以40℃/min的速度降温至环境温度；

c.机械加工：机械加工至金属内衬1表面产生的氧化物材料被完全去除；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头1-1与端头3焊接在一起：焊接的电流为100A，送丝速度为8m/min，焊件的转动速度为280±2mm/min。

e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬1通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬1：焊接的电流为100A，送丝速度为8m/min，焊件的转动速度为280±2mm/min。

f.清洗和打磨：(a)用质量百分比浓度为0.1％的弱碱清洗内衬1表面10分钟；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的细金属刷子对金属内衬1表面进行机械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去离子水的细金属刷子对金属内衬1表面进行机械清洗；(e)去离子水冲洗；(f)在金属内衬1表面涂抹去离子水，形成均匀涂层而不发生破裂；(g)将金属内衬1放入60℃的真空干燥箱中干燥30分钟，待冷却后即可。

(2)在金属内衬1外面缠绕碳纤维复合材料层2：

在本实施方式所述钛合金内衬1冷却后，立即用T1000碳纤维进行缠绕。首先，将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺促进剂按照重量配比1：0.09：0.005的比例混合成为胶状，然后将碳纤维浸胶后立即在金属内衬1外表面进行缠绕，在纤维缠绕过程中采用张力递减制度，从250N递减到50N，并且含胶量控制在浸胶后碳纤维总重量的20％，纤维缠绕的同时对金属内衬1实行加压，金属内衬1的内压起初为0.2Mpa，在缠绕1/3时增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa；

缠绕方式为：在筒身1-2上是环向缠绕和纵向缠绕相结合，在封头1-1上是纵向缠绕或螺旋缠绕；

复合材料高压气瓶对钛合金提出的性能要求远远高于典型的钛合金应用的要求，这是因为：为了保证在所有的工作循环中内衬1始终处于弹性范围内，对内衬1进行了预压处理，依靠缠绕张力及固化收缩使金属内衬1在固化结束、工作之前处于压缩的弹性状态。

(3)固化：

固化可以采用常温固化制度，也可以采用高温固化制度，这取决于所选择的树脂体系以及气瓶的最终使用环境。为了防止由于固化收缩而产生的内衬失稳的发生，在固化过程中，气瓶内的压力始终保持在0.4MPa以上；固化制度依次为：(1)以0.6℃/min的升温速率升高到70℃，保温25分钟；(2)70℃保温后，去除多余树脂，在这个过程中温度可能降低10℃；(3)以3℃/min的升温速度回升到70℃；(4)以0.6℃/min的升温速率升高到95℃，多余树脂从复合材料气瓶表面除去；(5)以0.6℃/min的升温速率升高到120℃，保温60分钟；(6)以1℃/min的速度使得高压气瓶冷却到室温即完成固化。

固化完成之后，在复合材料层2上涂敷一层保护性涂层。

最后，对复合材料高压气瓶内表面用质量浓度为0.1％～0.2％的碱液(如碳酸氢钠溶液)清洗，直至内表面的清洁度满足如下要求。

表1：高压气瓶内表面清洁度要求

微粒尺寸范围(微米)	最大允许量/100ml
微粒尺寸范围(微米)	最大允许量/100ml	5—10	140
11—25	20	5—10	140
11—25	20	26—50	5
51—100	1	26—50	5
51—100	1	≥100	0

完成上述工作后，对高压气瓶整体进行完表面的清洗、印刷等工作，后可以包装、运输，供用户使用。

上述实施方式通过对纤维缠绕高压气瓶复合材料层结构的优化设计，给出了最佳的含胶量、纤维缠绕张力、缠绕顺序等缠绕规律，制备出了容积为20L的超高压金属内衬碳纤维复合材料高压气瓶，容器性能因子(特性系数)高达28Km，为进一步研制液体发动机推进系统用复合材料高压气瓶奠定了基础。

本实施方式所述复合材料高压气瓶技术与现在的常用的复合材料气瓶技术水平相比具有明显的优势：一是超薄钛合金金属内衬，二是特种小角度稳定缠绕高性能复合材料层。复合材料高压气瓶包含一个超薄钛合金内衬和高性能碳纤维缠绕复合材料层，这种技术的主要特点是：超薄钛合金内衬与高性能的复合材料缠绕层在一起形成一个轻质量的高性能复合材料高压气瓶。

Claims

1.一种碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，包括制造金属内衬(1)、在金属内衬(1)外面缠绕碳纤维复合材料层(2)和固化过程，其特征在于所述金属内衬(1)的制备过程依次包括以下五个步骤：

a.旋压拉伸封头(1-1)：封头(1-1)的旋压温度为430℃～530℃，旋压速度为200～650转/min，进刀量为0.3～0.7mm/转；封头(1-1)成型后在500吨双动式冲压拉伸机上拉伸筒身(1-2)定型成为半个金属内衬(1)；

b.再结晶退火处理：再结晶温度为700℃～930℃，保温20～150分钟，然后以不超过50℃/min的速度降温至环境温度；

d.端头焊接：通过TIG焊接方法将加工好的封头(1-1)与端头(3)焊接在一起；

e.焊制整体：通过TIG焊接方法将两个半个内衬(1)通过一条环向焊缝焊接到一起得到整体金属内衬(1)。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于a步骤中的旋压温度为480℃，进刀量为0.5mm/转；b步骤中，再结晶温度为900℃，保温一小时，然后随炉冷却至环境温度；

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于d和e步骤中，所述TIG焊接方法具体如下：焊接的电流为80～160A，送丝速度为2m/min～10m/min，焊件的转动速度为250mm/min～320m/min。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于所述TIG焊接方法中，焊接的电流为125～130A，送丝速度为4m/min～4.5m/min，焊件的转动速度为300±2mm/min。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于它还包括第六个步骤：清洗和打磨，该过程依次为：(a)用质量百分比浓度为0.05％～0.15％的弱碱清洗内衬(1)表面5～10分钟；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的细金属刷子对金属内衬(1)表面进行机械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去离子水的细金属刷子对金属内衬(1)表面进行机械清洗；(e)去离子水冲洗；(f)在金属内衬(1)表面涂抹去离子水，形成均匀涂层而不发生破裂；(g)将金属内衬(1)放入55℃～65℃的真空干燥箱中干燥30分钟，待冷却后即可。6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于在金属内衬(1)外面缠绕碳纤维复合材料层(2)过程为：

首先，将环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺促进剂按照重量配比1：0.08～0.1：0.005～0.006的比例混合成为胶状，然后将碳纤维浸胶后立即在金属内衬(1)外表面进行缠绕，在纤维缠绕过程中采用张力递减制度，从250N递减到50N，并且含胶量控制在浸胶后碳纤维总重量的20～26％之间，纤维缠绕的同时对金属内衬(1)实行加压，金属内衬(1)的内压起初为0.2Mpa，在缠绕1/3时增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa；

缠绕方式为：在筒身(1-2)上是环向缠绕和纵向缠绕相结合，在封头(1-1)上是螺旋缠绕或平面缠绕；

缠绕规律是：采用1～10度的小角度稳定缠绕及环向缠绕技术，具体缠绕线型实施过程为：纵向二层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向二层→纵向三层→环向三层→固化→缠绕安装肋→表面修整；共作10次缠绕变换，在每次缠绕进行中不准断纱或做纱团更换工作，缠绕用四个纱团，直径要求接近或一致，保证共同工作，减少纱团转速比和张力的波动性；纵向缠绕角按1～10度安排；纵向缠绕由五次组成，每次变换缠绕角缠绕结束后，进行二次处理。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料高压气瓶的制造方法，其特征在于在缠绕结束后，对气瓶进行固化，在固化过程中，气瓶内的压力始终保持在0.4MPa以上；固化制度依次为：(1)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到70±2℃，保温20～25分钟；(2)70℃保温后，去除多余树脂；(3)以0.5～5℃/min的升温速度回升到70±2℃；(4)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到95±2℃，多余树脂从复合材料气瓶表面除去；(5)以0.6±0.1℃/min的升温速率升高到120±2℃，保温50～70分钟；(6)以不超过2℃/min的速度使得高压气瓶冷却到室温即完成固化。