CN103883871A

CN103883871A - 轻质化高温高压复合气瓶及其制造方法

Info

Publication number: CN103883871A
Application number: CN201410102505.9A
Authority: CN
Inventors: 张国喜; 邓德凤; 黄泽勇; 谭云水; 霍文静; 魏虹
Original assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: CN103883871B

Abstract

本发明公开了一种轻质化高温高压复合气瓶及其制造方法，包括位于两端的接管嘴和位于中部的瓶体，瓶体从内到外依次包括耐烧蚀薄壁金属内衬，陶瓷瓦隔热层，橡胶隔热层，及缠绕层，缠绕层为碳纤维增强树脂基复合材料。该制造方法包括以下步骤：1）椭球体成型；2）砂芯成型；3）金属内衬成型；4）隔热层成型；5）缠绕层成型；6）脱模及砂芯溶解。本发明采用薄壁金属材料作为内衬，并首创性采用轻量又耐高温的陶瓷瓦+橡胶的复合隔热层，石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦作为主隔热材料，外辅一层橡胶作为气密层，在保障长时间耐高温、抗烧蚀的基础上，隔热层的重量减轻了70～80%，大幅提高了发动机工作效率，满足动力系统对高总冲及大推力的需求。

Description

轻质化高温高压复合气瓶及其制造方法

技术领域

本发明涉及飞行器固体姿控动力系统设备成型技术，具体地指一种轻质化高温高压复合气瓶及其制造方法。

背景技术

复合气瓶，即：固体发动机壳体，是固体姿轨控动力系统中在预定时间内存储高温、高压燃气流的容器，其工作过程需经受1000～1300℃高温、30～50Mpa高压燃气流的冲刷，因此，要求气瓶必须具有高气密性，耐温性及耐烧蚀性。现有的高温高压气瓶为了确保其在工作环境下能安全使用，气瓶的厚度一般较厚，进而使得气瓶消极重量过大，现有的这种高温高压气瓶不利于满足动力系统对高总冲及大推力的需求。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种轻质化高温高压复合气瓶及其制造方法，该复合气瓶质量轻，耐高温、耐烧蚀性能好，其制造过程工艺条件简单，操作简便。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种轻质化高温高压复合气瓶，包括位于两端的接管嘴和位于中部的瓶体，所述瓶体从内到外依次包括耐烧蚀薄壁金属内衬，陶瓷瓦隔热层，橡胶隔热层，及缠绕层；所述陶瓷瓦隔热层为石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦，所述缠绕层为碳纤维增强树脂基复合材料。

进一步地，所述接管嘴从内到外依次包括耐烧蚀金属层，三元乙丙橡胶层，及接嘴管金属件。

一种上述轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，包括以下步骤：

1）椭球半体成型：采用拉伸法将金属薄板拉伸成两瓣空心椭球半体，然后对椭球半体顶端进行激光开孔后备用；

2）砂芯成型：将石英砂混粘剂填充到上述两瓣椭球半体中，压实后分别净尺寸成型砂芯；

3）金属内衬成型：将金属接管嘴和过滤网分别与内置砂芯的两瓣椭球半体对应在开孔处和焊缝区进行对焊，制得金属内衬；

4）隔热层成型：依次将陶瓷瓦隔热层、接管嘴与金属内衬进行装配，然后在陶瓷瓦隔热层上逐层贴上橡胶隔热层，并对其进行加压硫化处理；该陶瓷瓦隔热层采用石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦；

5）缠绕层成型：在陶瓷瓦隔热层的外层缠绕碳纤维增强树脂基复合材料至设定厚度，然后进行固化处理；

6）脱模及砂芯溶解：将完成固化处理的气瓶在室温下进行脱模，并用热水对砂芯进行溶解和清理，烘干后即可得到轻质化高温高压复合气瓶。

进一步地，所述步骤2）中，所述石英砂混粘剂的组分及重量配比如下：石英砂：350～450份；聚乙烯醇：9～10份；淀粉：0.4～0.6份；水：30～50份。

进一步地，所述步骤2）中，配制石英砂混粘剂时，先将聚乙烯醇与淀粉混合形成混合粉末，然后将混合粉末与50～80℃的水混合后搅拌至形成无粘块溶液，最后将石英砂与无粘块溶液搅拌混合，压实后依次按如下固化条件固化成型：55～65℃保温1.5～2.5h，升温至75～85℃保温2.5～3.5h，升温至115～125℃保温3.5～4.5h。

进一步地，所述步骤4）中，所述陶瓷瓦隔热层厚度为12～18mm，密度为0.1～0.5g/cm3，导热系数为0.02～0.05W/m·K。

进一步地，所述步骤4）中，橡胶隔热层厚度为0.5～1mm，其采用三元乙丙橡胶，硫化处理条件为：95～100℃保温1～3h，成型压力为0.4～0.6MPa。

进一步地，所述步骤5）中，缠绕层采用环线缠绕与纵向缠绕交替的方式进行成型，绕张力为8～20N/股，缠绕15～20层，至筒段厚度为3.75～5mm，并依次按如下固化条件固化成型：85～95℃保温1～4h，升温至115～125℃保温1～5h，升温至145～155℃保温1～6h。

进一步地，所述步骤1）中，椭球半体成型采用不锈钢板、钛合金板，或高温合金板，且椭球半体厚度为0.3～0.5mm。

更进一步地，所述步骤3）中，所述过滤网采用不锈钢丝网，目数为500～1000目，厚度为0.5～2mm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明气瓶为多层结构，其采用薄壁金属材料作为内衬，并首创性采用轻量而又耐高温的陶瓷瓦+橡胶的复合隔热层，以石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦作为主隔热材料，外辅一层橡胶作为气密层，在保障长时间耐高温、抗烧蚀的基础上，其相对于传统的硅橡胶隔热材料，在隔热效果与气密性相当的情况下，隔热层的重量减轻了70～80%，降低了冗余重量，大幅提高了发动机工作效率，满足动力系统对高总冲及大推力的需求。

其二，本发明方法采用砂芯作为焊接骨架，其自身具有相当的强度，可以有效避免焊接过程中金属内衬变形导致的尺寸偏差，同时，固化完成后用常温自来水即可使金属内衬中的砂芯溶解，从而实现顺利脱模，大大减小了脱模的难度，并且砂芯成型过程工艺简单、生产周期短、成本低廉。

其三，为满足高温高压复合气瓶使用过程中的耐高温、耐高压、抗烧蚀、隔热、密封以及强度等需求，复合材料气瓶结构设置为多层结构，充分结合了陶瓷瓦耐高温、隔热、抗烧蚀，硅橡胶密封、碳纤维缠绕层自身强度高、耐高压的优点，各层功能材料的性能得到了充分发挥，在满足耐温性、抗烧蚀，及耐压性的前提下实现了气瓶轻量化。

附图说明

图1为一种轻质化高温高压复合气瓶的剖视结构示意图。

图2为图1中金属内衬的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

图1所示的轻质化高温高压复合气瓶，包括位于两端的接管嘴1和位于中部的瓶体2，瓶体2从内到外依次包括耐烧蚀薄壁金属内衬2-1，陶瓷瓦隔热层2-2，橡胶隔热层2-3，及缠绕层2-4，陶瓷瓦隔热层（2-2）为石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦，缠绕层2-4为碳纤维增强树脂基复合材料；接管嘴1从内到外依次包括耐烧蚀金属层1-1，三元乙丙橡胶层1-2，及接嘴管金属件1-3。其中，金属内衬2-1为将耐烧蚀金属层1-1和过滤网3分别与内置砂芯6的两瓣椭球半体对应在开孔处4和焊缝区5进行对焊而成（如图2所示）。以下实施例为本发明气瓶及其制造方法的具体应用：

实施例1

将轻质化高温高压复合气瓶用于某热喷姿控系统时，其气瓶尺寸及性能要求如下表1：

表1

该轻质化高温高压复合气瓶的制造方法包括以下步骤：

1）椭球半体成型：采用拉伸法将不锈钢板拉伸成两瓣0.5mm厚的空心椭球半体，并分别对两瓣椭球半体顶端进行激光开孔及外表面均匀吹砂；

2）砂芯成型：用步骤1）中成型的两瓣椭球半体分别净尺寸成型砂芯，砂芯的成型具体过程如下：

a、配制石英砂混粘剂：石英砂混粘剂组份及重量配比（份）如下：

石英砂：聚乙烯醇：淀粉：水=400：10：0.5：50；按比例配制100kg石英砂混粘剂备用，配制石英砂混粘剂时，先将聚乙烯醇与淀粉混合形成混合粉末，然后将混合粉末与50～80℃的水，优选80℃的水混合后搅拌至形成无粘块溶液，最后将石英砂与无粘块溶液搅拌混合；其中，所述石英砂混粘剂的组分重量配比优选范围如下：石英砂：350～450份；聚乙烯醇：9～10份；淀粉：0.4～0.6份；水：30～50份；

b、将石英砂混粘剂填充到1）中的椭球体中，并用木榔头捣实后压平；

c、将成型的砂芯依次按照如下固化制度进行固化：60℃保温2h，升温至80℃保温3h，升温至120℃保温4h，从而得到砂芯；其中，固化条件优选范围如下：55～65℃保温1.5～2.5h，升温至75～85℃保温2.5～3.5h，升温至115～125℃保温3.5～4.5h。

3）金属内衬成型：将不锈钢接管嘴（耐烧蚀金属层）、800目且厚0.5mm的不锈钢过滤网分别与内置砂芯的两瓣椭球体在开孔处、焊缝区进行对焊，从而制得不锈钢金属内衬，金属内衬的厚度为0.5mm，其中，不锈钢过滤网厚度优选范围为0.5～2mm，目数优选为500～1000目；金属内衬可选用不锈钢板、钛合金板或高温合金板等材料，其厚度优选0.3～0.5mm。

4）隔热层成型：依次将15mm厚陶瓷瓦隔热层（密度0.15g/cm³，导热系数0.025W/m·K）、前后封头（前后封头由接嘴管金属件与三元乙丙橡胶整体模压而成，包括接嘴管金属件和三元乙丙橡胶层）与金属内衬进行装配，陶瓷瓦拼接处间隙用不饱和聚酯腻子进行填补，而后在陶瓷瓦隔热层上贴上2层厚度为0.5mm的三元乙丙硅橡胶隔热层，其厚度为1.0mm，并对其在0.5MPa压力、100℃下硫化1.5h；其中，陶瓷瓦隔热层采用石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦，密度优选为0.1～0.5g/cm³，导热系数为0.02～0.05W/m·K；三元乙丙硅橡胶隔热层的硫化处理条件优选范围为：95～100℃保温1～3h，成型压力为0.4～0.6MPa。

5）缠绕层成型：用环线缠绕与纵向缠绕交替的方式，在陶瓷瓦隔热层的外层以18N/股的张力缠绕碳纤维增强树脂基复合材料20层，至筒段厚度为5.0mm，而后按照如下固话条件进行固化：90℃保温2h，升温至120℃保温4h，升温至150℃保温6h；其中，绕张力优选为8～20N/股，优选缠绕15～20层，至筒段厚度优选为3.75～5mm；其固化条件优选范围如下：85～95℃保温1～4h，升温至115～125℃保温1～5h，升温至145～155℃保温1～6h。

6）脱模及砂芯溶解：对完成固化处理的气瓶在室温下进行脱模，并用水对砂芯进行溶解、清理，烘干后即得轻质化高温高压复合气瓶。

经检测，制得的气瓶的性能指标如下表2：

表2

实施例2

将轻质化高温高压复合气瓶用于某工程复合材料气瓶的产品尺寸及性能要求如下表3：

表3

该轻质化高温高压复合气瓶的制造方法包括以下步骤：

1）椭球体成型：采用拉伸法将不锈钢板拉伸成两瓣0.3mm厚椭球半体，并分别对两瓣椭球半体顶端进行激光开孔及外表面均匀吹砂；

2）砂芯成型：用步骤1）中成型的两瓣椭球半体分别成型砂芯，砂芯的成型具体过程如下：

a、配制石英砂混粘剂，石英砂混粘剂组份及重量配比（份）如下：

石英砂：聚乙烯醇：淀粉：水=380：10：0.5：40；按比例配制100kg石英砂混粘剂备用；配制石英砂混粘剂时，先将聚乙烯醇与淀粉混合形成混合粉末，然后将混合粉末与80℃的水混合后搅拌至形成无粘块溶液，最后将石英砂与无粘块溶液搅拌混合；

b、将石英砂混粘剂填充到1）中的椭球半体中，并用木榔头捣实后压平；

c、将成型的砂芯依次按照如下固化制度进行固化：60℃保温2h，升温至80℃保温3h，升温至120℃保温4h，从而得到砂芯；

3）金属内衬成型：将不锈钢接管嘴（耐烧蚀金属层）、不锈钢过滤网分别与内置砂芯的两瓣椭球半体分别在开孔处、焊缝区进行对焊，从而制得不锈钢金属内衬，金属内衬的厚度为0.3mm，其中，不锈钢过滤网厚1.0mm，目数为600目；

4）隔热层成型：依次将15mm厚陶瓷瓦隔热层（密度0.15g/cm³，导热系数0.025W/m·K）、前后封头与金属内衬进行装配，陶瓷瓦拼接处间隙用不饱和聚酯腻子进行填补，而后在陶瓷瓦隔热层上贴上1层厚度为0.5mm厚的三元乙丙硅橡胶隔热层，并对其在0.5MPa压力、100℃下硫化1.5h；

5）缠绕层成型：在陶瓷瓦隔热层的外层以18N/股的张力缠绕碳纤维增强树脂基复合材料15层，至筒段厚度为3.75mm，而后按照如下固话条件进行固化：90℃保温1h，升温至120℃保温2h，升温至150℃保温4h；

经检测，制得的气瓶的性能指标如下表4：

表4

Claims

1.一种轻质化高温高压复合气瓶，包括位于两端的接管嘴（1）和位于中部的瓶体（2），其特征在于：所述瓶体（2）从内到外依次包括耐烧蚀薄壁金属内衬（2-1），陶瓷瓦隔热层（2-2），橡胶隔热层（2-3），及缠绕层（2-4）；所述陶瓷瓦隔热层（2-2）为石英纤维多孔骨架结构陶瓷瓦，所述缠绕层（2-4）为碳纤维增强树脂基复合材料。

2.根据权利要求1所述的轻质化高温高压复合气瓶，其特征在于：所述接管嘴（1）从内到外依次包括耐烧蚀金属层（1-1），三元乙丙橡胶层（1-2），及接嘴管金属件（1-3）。

3.一种权利要求1所述轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中，石英砂混粘剂的组分及重量配比如下：石英砂：350～450份；聚乙烯醇：9～10份；淀粉：0.4～0.6份；水：30～50份。

5.根据权利要求4所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤2）中，配制石英砂混粘剂时，先将聚乙烯醇与淀粉混合形成混合粉末，然后将混合粉末与50～80℃的水混合后搅拌至形成无粘块溶液，最后将石英砂与无粘块溶液搅拌混合，压实后依次按如下固化条件固化成型：55～65℃保温1.5～2.5h，升温至75～85℃保温2.5～3.5h，升温至115～125℃保温3.5～4.5h。

6.根据权利要求3或4或5所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤4）中，陶瓷瓦隔热层厚度为12～18mm，密度为0.1～0.5g/cm³，导热系数为0.02～0.05W/m·K。

7.根据权利要求3或4或5所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤4）中，橡胶隔热层厚度为0.5～1mm，其采用三元乙丙橡胶，硫化处理条件为：95～100℃保温1～3h，成型压力为0.4～0.6MPa。

8.根据权利要求3或4或5所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤5）中，缠绕层采用环线缠绕与纵向缠绕交替的方式进行成型，绕张力为8～20N/股，缠绕15～20层，至筒段厚度为3.75～5mm，并依次按如下固化条件固化成型：85～95℃保温1～4h，升温至115～125℃保温1～5h，升温至145～155℃保温1～6h。

9.根据权利要求3或4或5所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤1）中，椭球半体成型采用不锈钢板、钛合金板，或高温合金板，且椭球半体厚度为0.3～0.5mm。

10.根据权利要求3或4或5所述的轻质化高温高压复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述步骤3）中，过滤网采用不锈钢丝网，目数为500～1000目，厚度为0.5～2mm。