CN103437913B - 一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱及其制造方法，该碳纤维复合材料金属膜片贮箱包括内衬1和金属膜片2，还包括绝缘层3和碳纤维复合材料层4，内衬包括上法兰11、上半球12、连接环13、下半球14和下法兰15，上半球12和下半球14通过连接环13连接，上法兰11与上半球12连接，下法兰15与下半球14连接，金属膜片2与连接环13对接，内衬1的外表面涂覆绝缘层3，绝缘层3外表面缠绕碳纤维复合材料层4，且绝缘层3的外表面与碳纤维复合材料层4粘接连接。本发明解决了金属膜片贮箱质量大，结构效率低的问题，实现金属膜片贮箱轻质化设计，且降底了成本，提高了产品性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力容器，具体地，涉及一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱及其制造方法。
背景技术
推进剂贮箱是一种带液体管理装置的中低压压力容器，针对液体姿控动力系统设计。该种产品的关键问题是：一方面是要具备在空间微重力条件下对液体进行有效管理的能力(气液隔离)；另一方面是要能够承受运载在发射时的力学环境考核(力学过载等)。
常用的推进剂贮箱管理装置有表面张力，金属膜片和非金属囊式等。金属膜片贮箱的主要特点是：利用金属膜片对推进剂进行主动管理：一方面，在挤压气体作用下，膜片紧贴液面，消除了推进剂的晃动，设计方案保证贮箱加注介质的晃动力满足要求；另一方面利用金属膜片将气液物理隔缘，确保向发动机输出不夹气的推进剂。该种金属膜片与贮箱壳体连接采用焊接形式，保证推进剂密封贮存性能满足要求。
国内外战略战术导弹型号和空间飞行器大量选用金属膜片贮箱作为其推进系统的贮箱。但这些产品均是全金属结构的容器，随着宇航事业的发展，这种产品已经远远不能满足飞行器轻质化设计的要求。
近年复合材料技术的迅猛发展，尤其是高性能碳纤维缠绕技术在压力容器中的大量应用，其大的降低了容器的结构质量。但由于金属膜片贮箱一般为多条环向焊缝的球形压力容器，结构中固有的存在多处几何不连续。现有的技术未解决在金属膜片贮箱中使用复合材料技术。
欧洲公开号EP0941925A2的发明专利公开了一种推进剂贮箱，但是该发明仅是给出了金属膜片贮箱的基本构型，未能解决产品的轻质化设计问题。
中国专利公开号CN102275067的发明专利公开了一种航天器燃料用半球形金属贮箱的加工制备方法，该方法给出了钛材料金属膜片的制造方法，容易控制质量，但是，该方法采用纯钛薄板作为制备材料，价格昂贵，真正推广应用存在一定困难。
中国公开号CN1715729A的发明专利公开了一种大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器及其制造方法。该发明存在以下局限：首先，该发明并未涉及如何装配金属膜片管理装置；其次，该发明的贮箱如果在加注大质量推进剂后，其力学环境适应性能力有限，该发明未给出如何解决这一问题的技术途径，并且，该发明缠绕技术未给出球形压力容器的实施方案。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱，包括内衬1和金属膜片2，还包括绝缘层3和碳纤维复合材料层4，内衬1包括上法兰11、上半球12、连接环13、下半球14和下法兰15，上半球12和下半球14通过连接环13连接，上法兰11与上半球12连接，下法兰15与下半球14连接，金属膜片2与连接环13对接，内衬1的外表面涂覆绝缘层3，绝缘层3外表面缠绕碳纤维复合材料层4，且绝缘层3的外表面与碳纤维复合材料层4粘接连接。
优选地，金属膜片2与连接环13采用氩弧焊焊接连接。
优选地，内衬1采用铝合金制成，内衬1的厚度T1为1.2～1.7mm，内衬1的直径D1为800～1200mm。上半球12、连接环13和下半球14依次焊接连接，对接处壁厚T2为2～3mm；上法兰11和上半球12，及下法兰14和下半球15均采用焊接连接，对接位置直径D2为50～300mm。
优选地，内衬1的上半球12端部设置有倒角R1，下半球14端部设置有倒角R2，其中，倒角R1不小于10mm，倒角R2不小于15mm，且倒角R1对应的厚度T3不小于8mm，倒角R2对应的厚度T4为不小于10mm；内衬1上端和下端壁厚分别由T3和T4逐渐过渡减薄至T1,且过渡直径D3不小于300mm，过渡直径D4不小于400mm。
优选地，绝缘层3为聚脂PU7022涂层，其厚度为0.1～0.5mm。
优选地，碳纤维复合材料层4为碳纤维/环氧缠绕层。
优选地，碳纤维/环氧缠绕层由环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺按照重量配比1：0.9：0.005的比例混合成胶状，再将浸胶后的碳纤维在内衬1的外表面进行缠绕制备而成。
根据本发明的另一个方面，提供一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：制造加工内衬1并将内衬1与金属膜片2对接焊接在一起；
步骤2：在内衬的外表面涂制绝缘层3；
步骤3：在绝缘层3外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层4。
优选地，步骤1中内衬1的制造方法包括以下步骤：
步骤11：上半球和下半球旋压成型：首先用氧气—乙炔焊炬枪预热芯模和圆板毛坯进行预热100～200℃，然后集中给旋轮旋压下方和旋轮前方宽35～40mm部位的坯料加热到350～450℃，旋压速度为250～500r/min，进刀量为0.3～0.7mm/r，旋压过程中氧气—乙炔焊炬枪与旋轮同步移动，并控制上述坯料温度位350～450℃，最终旋压出直径为800～1500mm的上半球12和下半球14的毛坯；
步骤12：上半球和下半球热处理：将旋压封头进行热处理，处理温度为：380±10℃，处理时间60±5min，随炉冷却。
步骤13：上半球和下半球粗加工：将旋压件固定在粗车工装上进行粗车加工，留加工余量1～1.5mm；
步骤14：上半球和下半球精加工内型面：将粗车半球固定在与半球外型面相匹配的专用工装上精车内型面至产品要求尺寸；
步骤15：上半球和下半球精加工外型面：将半球固定在与精车内型面相匹配的专用工装上精车外型面至产品要求尺寸；
步骤16：电子束焊接：将上法兰和上半球，下半球和下法兰采用电子束焊接在一起，真空室真空度不大于7×10-4mbar，焊接电流为80～160A，速度为30mm/s；
步骤17：氩弧焊焊接：
将上半球和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为60～70A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将金属膜片和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为30～50A，焊接速度为120～140mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将连接环与下半球采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为90～100A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
步骤18：内衬整体退火：将经过前述步骤完成的内衬1进行退火处理，规范是380±10℃/4h，随炉冷却。
优选地，步骤3包括以下步骤：
步骤31：对内衬外表面进行处理：将内衬的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用丙酮试剂清理打磨后的表面；
步骤32：碳纤维浸树脂胶：按照重量份数比取环氧树脂：酸酐固化剂：苄基二甲胺＝1：0.08～0.1：0.005～0.006混合配制树脂胶，将碳纤维浸树脂胶；
步骤33：碳纤维复合材料缠绕：采用平面缠绕形式，由内而外分别为五层纵向缠绕和一层环同缠绕，第一层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为50～140mm，厚度为0.12mm；第二层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为270mm，厚度为0.18mm；第三层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为370～500mm，厚度为0.24mm；第四层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为610～740mm，厚度为0.34mm；第五层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为750～980mm，厚度为0.42mm；第六层采用环向缠绕，宽度不小于80mm，厚度为0.5mm。
步骤34：固化和表面修整：将缠绕有碳纤维复合材料层4的内衬1升温到120±5℃,保温50～70min，随炉冷却。
本发明的碳纤维复合材料金属膜片贮箱具有以下优点：
1碳纤维复合材料金属膜片贮箱，解决了产品的轻质化问题，较常规金属膜片贮箱的结构效率PV/G(P：金属膜片贮箱的工作压力；V:金属膜片贮箱的容积；G：金属膜片贮箱的重量)提高两倍以上；
2产品的结构简单，制造工艺性好、成本低、周期短；
3针对多条焊缝结构，在产品的壁厚尺寸上进行了优化设计，确保了焊缝的工艺可实施性和最终的焊缝性能，确保了缠绕贮箱的疲劳性能；
4采用了贮箱上下两端的局部结构设计，在确保贮箱重量变化不大的基础上，产品的力学环境适应能力强，产品水平承受静过载不小于5t，轴向静过载不小于12t。
本发明的碳纤维复合材料金属膜片贮箱制造方法具有以下优点：
1内外型面加工方法保证了大直径薄壁球壳体的加工精度高壁厚散差不超过0.1mm，球壳圆度不大于0.1mm；
2旋压工艺改善了金属材料的组织性能高抗拉强度不小于350MPa，屈服强度不小于170MPa，延伸率不小于25％；
3焊接规范的合理的选择，保证了焊缝一次合格率达95％，二次补焊合格率达100％,也保证了内衬的变形量小，有利于内衬与碳纤维的变形匹配，提高产品的疲劳性能；
4树脂体系和配比参数进行了优选，缠绕方案仿真分析确定的缠绕工艺参数保证了纤维的发挥系数较常规提高20％。
综上所述，采用本发明可以解决金属膜片贮箱质量大，结构效率PV/G(P：金属膜片贮箱的工作压力；V:金属膜片贮箱的容积；G：金属膜片贮箱的重量)低的问题，解决现有复合材料缠绕技术无法应用于金属膜片贮箱领域的技术问题，实现金属膜片贮箱轻质化设计，解决产品不能适应运载发射段力学环境适应性问题，且本发明还解决了大直径金属膜片贮箱制造的难题，优化了制造工艺，降底了成本，提高了产品性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱的结构示意图；
图2为图1中内衬的局部结构放大示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1，一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱，包括内衬1和金属膜片2，还包括绝缘层3和碳纤维复合材料层4。
内衬1包括上法兰11、上半球12、连接环13、下半球14和下法兰15，上半球12和下半球14通过连接环13连接，上法兰11与上半球12连接，下法兰15与下半球14连接，金属膜片2与连接环13对接，内衬1的外表面涂覆绝缘层3，绝缘层3外表面缠绕碳纤维复合材料层4，且绝缘层3的外表面与碳纤维复合材料层4粘接连接。
进一步地，金属膜片2与连接环13采用氩弧焊焊接连接。上半球12、连接环13和下半球14依次焊接连接，对接处壁厚T2为2～3mm；上法兰11和上半球12，及下法兰14和下半球15均采用焊接连接，对接位置直径D2为50～300mm。
进一步地，内衬1采用铝合金制成，内衬1的厚度T1为1.2～1.7mm，内衬1的直径D1为800～1200mm。内衬1的上半球12端部设置有倒角R1，下半球14端部设置有倒角R2，其中，倒角R1不小于10mm，倒角R2不小于15mm，且倒角R1对应的厚度T3不小于8mm，倒角R2对应的厚度T4为不小于10mm；内衬1上端和下端壁厚分别由T3和T4逐渐过渡减薄至T1,且过渡直径D3不小于300mm，过渡直径D4不小于400mm。
进一步地，绝缘层3为聚脂PU7022涂层，其厚度为0.1～0.5mm。
进一步地，碳纤维复合材料层4为碳纤维/环氧缠绕层。具体地，碳纤维/环氧缠绕层由环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺按照重量配比1：0.9：0.005的比例混合成胶状，再将浸胶后的碳纤维在内衬1的外表面进行缠绕制备而成。
本发明还提供一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：制造加工内衬1并将内衬1与金属膜片2对接焊接在一起。
具体地，内衬1的制造方法包括以下步骤：
步骤11：上半球和下半球旋压成型：首先用氧气—乙炔焊炬枪预热芯模和圆板毛坯进行预热100～200℃，然后集中给旋轮旋压下方和旋轮前方宽35～40mm部位的坯料加热到350～450℃，旋压速度为250～500r/min，进刀量为0.3～0.7mm/r，旋压过程中氧气—乙炔焊炬枪与旋轮同步移动，并控制上述坯料温度位350～450℃，最终旋压出直径为800～1500mm的上半球12和下半球14的毛坯；
步骤12：上半球和下半球热处理：将旋压封头进行热处理，处理温度为：380±10℃，处理时间60±5min，随炉冷却。
步骤13：上半球和下半球粗加工：将旋压件固定在粗车工装上进行粗车加工，留加工余量1～1.5mm；
步骤14：上半球和下半球精加工内型面：将粗车半球固定在与半球外型面相匹配的专用工装上精车内型面至产品要求尺寸；
步骤15：上半球和下半球精加工外型面：将半球固定在与精车内型面相匹配的专用工装上精车外型面至产品要求尺寸；
步骤16：电子束焊接：将上法兰和上半球，下半球和下法兰采用电子束焊接在一起，真空室真空度不大于7×10-4mbar，焊接电流为80～160A，速度为30mm/s；
步骤17：氩弧焊焊接：
将上半球和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为60～70A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将金属膜片和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为30～50A，焊接速度为120～140mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将连接环与下半球采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为90～100A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
步骤18：内衬整体退火：将经过前述步骤完成的内衬1进行退火处理，规范是380±10℃/4h，随炉冷却。
步骤2：在内衬的外表面涂制绝缘层3；
步骤3：在绝缘层3外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层4。
具体地，内衬1外表面缠绕碳纤维复合材料层4通过以下步骤实现：
步骤31：对内衬外表面进行处理：将内衬的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用丙酮试剂清理打磨后的表面；
步骤32：碳纤维浸树脂胶：按照重量份数比取环氧树脂：酸酐固化剂：苄基二甲胺＝1：0.08～0.1：0.005～0.006混合配制树脂胶，将碳纤维浸树脂胶；
步骤33：碳纤维复合材料缠绕：采用平面缠绕形式，由内而外分别为五层纵向缠绕和一层环同缠绕，第一层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为50～140mm，厚度为0.12mm；第二层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为270mm，厚度为0.18mm；第三层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为370～500mm，厚度为0.24mm；第四层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为610～740mm，厚度为0.34mm；第五层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为750～980mm，厚度为0.42mm；第六层采用环向缠绕，宽度不小于80mm，厚度为0.5mm。
步骤34：固化和表面修整：将缠绕有碳纤维复合材料层4的内衬1升温到120±5℃,保温50～70min，随炉冷却。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱，包括：内衬(1)和金属膜片(2)，其特征在于，还包括绝缘层(3)和碳纤维复合材料层(4)，所述内衬(1)包括上法兰(11)、上半球(12)、连接环(13)、下半球(14)和下法兰(15)，所述上半球(12)和下半球(14)通过连接环(13)连接，所述上法兰(11)与所述上半球(12)连接，所述下法兰(15)与所述下半球(14)连接，所述金属膜片(2)与所述连接环(13)对接，所述内衬(1)的外表面涂覆所述绝缘层(3)，所述绝缘层(3)外表面缠绕所述碳纤维复合材料层(4)，且所述绝缘层(3)的外表面与所述碳纤维复合材料层(4)粘接连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述金属膜片(2)与所述连接环(13)采用氩弧焊焊接连接。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述内衬(1)采用铝合金制成，所述内衬(1)的厚度(T1)为1.2～1.7mm，内衬(1)的直径(D1)为800～1200mm，所述上半球(12)、连接环(13)和下半球(14)依次焊接连接，对接处壁厚(T2)为2～3mm；所述上法兰(11)和上半球(12)，及下法兰(14)和下半球(15)均采用焊接连接，对接位置直径(D2)为50～300mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述内衬(1)的上半球(12)端部设置有第一倒角(R1)，下半球(14)端部设置有第二倒角(R2)，其中，所述第一倒角(R1)不小于10mm，所述第二倒角(R2)不小于15mm，且所述第一倒角(R1)对应的厚度(T3)不小于8mm，所述第二倒角(R2)对应的厚度(T4)为不小于10mm；所述内衬(1)上端和下端壁厚分别由第一倒角(R1)对应的厚度(T3)和第二倒角(R2)对应的厚度(T4)逐渐过渡减薄至内衬(1)的厚度(T1),且第一倒角(R1)对应的厚度(T3)过渡至内衬(1)的厚度(T1)所经过的过渡直径(D3)不小于300mm，第二倒角(R2)对应的厚度(T4)过渡至内衬(1)的厚度(T1)所经过的过渡直径(D4)不小于400mm。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述绝缘层(3)为聚脂PU7022涂层，其厚度为0.1～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述碳纤维复合材料层(4)为碳纤维/环氧缠绕层。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱，其特征在于，所述碳纤维/环氧缠绕层由环氧树脂与酸酐固化剂、苄基二甲胺按照重量配比1：0.9：0.005的比例混合成胶状，再将浸胶后的碳纤维在内衬(1)的外表面进行缠绕制备而成。
8.一种碳纤维复合材料金属膜片贮箱的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制造加工内衬(1)并将内衬(1)与金属膜片(2)对接焊接在一起，其中，内衬(1)的制造方法包括以下步骤：
步骤11：上半球和下半球旋压成型：首先用氧气—乙炔焊炬枪对芯模和圆板毛坯进行预热，预热温度为100～200℃，然后集中给旋轮旋压下方和旋轮前方宽35～40mm部位的坯料加热到350～450℃，旋压速度为250～500r/min，进刀量为0.3～0.7mm/r，旋压过程中氧气—乙炔焊炬枪与旋轮同步移动，并控制上述坯料温度为350～450℃，最终旋压出直径为800～1500mm的上半球(12)和下半球(14)的毛坯；
步骤12：上半球和下半球热处理：将旋压封头进行热处理，处理温度为：380±10℃，处理时间60±5min，随炉冷却；
步骤13：上半球和下半球粗加工：将旋压件固定在粗车工装上进行粗车加工，留加工余量1～1.5mm；
步骤14：上半球和下半球精加工内型面：将粗车半球固定在与半球外型面相匹配的专用工装上精车内型面至产品要求尺寸；
步骤15：上半球和下半球精加工外型面：将半球固定在与精车内型面相匹配的专用工装上精车外型面至产品要求尺寸；
步骤16：电子束焊接：将上法兰和上半球，下半球和下法兰采用电子束焊接在一起，真空室真空度不大于7×10-4mbar，焊接电流为80～160A，速度为30mm/s；
步骤17：氩弧焊焊接：
将上半球和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为60～70A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将金属膜片和连接环采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为30～50A，焊接速度为120～140mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
将连接环与下半球采用氩弧焊焊接在一起，焊接电流为90～100A，焊接速度为165～185mm/min，氩气流量为8～10L/min，送丝速度为200～300mmmm/min，焊丝直径3mm牌号为LF14；
步骤18：内衬整体退火：将经过前述步骤完成的内衬(1)进行退火处理，规范是380±10℃/4h，随炉冷却；
步骤2：在内衬的外表面涂制绝缘层(3)；
步骤3：在绝缘层(3)外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层(4)。
9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料金属膜片贮箱的制造方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：
步骤31：对内衬外表面进行处理：将内衬的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用丙酮试剂清理打磨后的表面；
步骤32：碳纤维浸树脂胶：按照重量份数比取环氧树脂：酸酐固化剂：苄基二甲胺＝1：0.08～0.1：0.005～0.006混合配制树脂胶，将碳纤维浸树脂胶；
步骤33：碳纤维复合材料缠绕：采用平面缠绕形式，由内而外分别为五层纵向缠绕和一层环同缠绕，第一层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为50～140mm，厚度为0.12mm；第二层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为270mm，厚度为0.18mm；第三层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为370～500mm，厚度为0.24mm；第四层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为610～740mm，厚度为0.34mm；第五层采用平面缠绕，缠绕极孔直径为750～980mm，厚度为0.42mm；第六层采用环向缠绕，宽度不小于80mm，厚度为0.5mm；
步骤34：固化和表面修整：将缠绕有碳纤维复合材料层(4)的内衬(1)升温到120±5℃,保温50～70min，随炉冷却。
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