CN104476781A - 一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法 - Google Patents

一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，包括如下步骤：S1采用螺旋缠绕和环向缠绕在清洁光滑的环形金属内衬外壁上多次缠绕芳纶纤维干纱以获得多层缠绕层；S2配置高强度易浸渍的树脂胶，重复多次将所述树脂胶涂刷在所述步骤S1中多层缠绕层上，以获得复合气瓶的半制品；S3对S2的所述半制品进行表面包覆以获得待固化半制品；S4对所述S3的待固化半制品进行固化，获得金属内衬环形复合气瓶。本发明方法工艺简单，金属内衬与复合材料匹配性好，无电化学腐蚀，制得的复合气瓶疲劳性能优异。

Description

一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法
技术领域
本发明属于复合高压气瓶领域，更具体地，涉及一种应用在航空、航天及军事领域的带金属内衬的芳纶纤维增强环形气瓶的制备方法。
背景技术
在航空、航天及军事武器系统上，环形气瓶能更有效地利用弹头结构空间，且使用时不会因容器内物质减少而产生质心偏移，其较球形、柱形气瓶更具优势，得到了越来越广泛的应用。纯金属的环形气瓶强度高，质量大，而航空航天领域对于质量可谓“斤斤计较”。试验表明：喷气发动机结构重量减1Kg，飞机结构可减重4Kg，升限可提高10米；若一枚小型洲际导弹第三级结构重量减轻1Kg，整个运载火箭的起飞重量就可减轻50Kg，地面设备的结构重量就可减轻100Kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15～20Km；而航天飞机的重量每减轻1Kg，其发射成本费用就可以减少15000美元。
为了减轻环形气瓶的重量，采用比强度较高的复合材料制备环形复合气瓶，可保证强度的同时减轻自身重量。环形复合气瓶采用增强材料缠绕在金属环形内衬上，常用的增强材料为碳纤维，碳纤维的密度轻、模量高，是较好的环形复合气瓶的增强材料，但是：(1)碳纤维增强材料的工艺性较差，与金属内衬及接头的电化学腐蚀难以解决，而锈蚀是航空、航天及军事武器系统难以接受的，容易造成危险事故；(2)采用碳纤维增强材料在缠绕时只能采用湿法成型，即将纤维浸渍在液态的胶水中然后立即缠绕，湿法成型设备复杂，不易缠绕，工艺操作性较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其目的在于采用芳纶纤维作为增强材料制备复合气瓶，解决使用碳纤维存在的点化学腐蚀问题，并采用干纱缠绕刷胶法成型，克服目前采用碳纤维增强材料工艺性差的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在清洁光滑的环形金属内衬的外壁上多次缠绕芳纶纤维的干纱以获得多层缠绕层，所述缠绕层采用螺旋缠绕或环向缠绕方式获得；
S2：配置高强度易浸渍的树脂胶，该树脂胶包括环氧树脂TDE-85、环氧树脂EP01441-310、甲基四氢苯酐以及咪唑，重复多次将所述树脂胶涂刷在步骤S1中所述多层缠绕层上，以获得复合气瓶的半制品，所述高强度是指强度大于30Mpa，所述易浸渍是指能浸透；
S3：对步骤S2的所述半制品进行表面包覆以获得待固化半制品；
S4:对步骤S3的所述待固化半制品进行固化，获得金属内衬环形复合气瓶。
进一步的，步骤S2所述高强度易浸渍的树脂胶中，环氧树脂TDE-85的质量：环氧树脂EP01441-310的质量：甲基四氢苯酐的质量：咪唑的质量＝(0.2～0.4)：(0.1～0.3)：(0.5～0.7)：(0.005～0.02)，其中环氧树脂TDE-85是指环氧树脂的一种，环氧树脂EP01441-310也是环氧树脂的一种。
进一步的，所述芳纶纤维为杂环芳纶纤维。
进一步的，所述芳纶纤维线密度为300tex～1000tex。
进一步的，所述刷胶时所述树脂胶的温度为60℃～100℃。
进一步的，步骤S2中所述涂刷包括第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶，且第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶分别消耗的树脂胶质量之比为(2～3)：(1～1.5)：(0.5～1)。
进一步的，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶均从所述环形金属内衬的环内径开始并向环外径涂刷，且每次刷胶结束后均对表面经过涂刷的环形金属内衬进行烘烤，所述烘烤在60～100℃中保温10min～50min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、采用杂环芳纶纤维增强环形复合气瓶的结构层，芳纶纤维与金属不产生电化学反应，不会造成电化学腐蚀，其与金属的适应性好。
2、采用的先干纱缠绕、接着涂刷树脂胶的成型方法，克服了湿法成型方法中设备复杂且难操作的缺点，本发明方法操作简单，不需要制备预浸带，成本更低且可靠性更高。
3、采用合理的树脂配方和多次涂刷的方法浸透杂环芳纶纤维，且杂环芳纶纤维本身拉伸强度大于4500MPa，且模量大于150GPa，具有较好的力学性能，两者综合作用，可成型力学性能优异的复合材料结构层，从而保证了复合气瓶的综合力学性能，采用本发明方法制备的复合气瓶疲劳特性好，爆破压力高，能够满足使用要求。
总之，本发明方法工艺简单，能够适应环形容器的缠绕，制备的复合材料结构层能较好匹配金属内衬，金属内衬与复合材料结构层具有较好的变形匹配性，制得的气瓶疲劳性能优异，完全能满足使用要求。
附图说明
图1是本发明实施例中环形复合气瓶剖面结构示意图；
图2是本发明方法流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-内衬     2-复合结构层    3-接管嘴
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的多个实施例均为缠绕一种钛合金内衬环形复合气瓶，要求疲劳次数大于500次，爆破压力大于80MPa。不同是实施例采用不同工艺参数制备该钛合金内衬的环形复合气瓶。图1为是本发明实施例中环形复合气瓶剖面结构示意图，内衬1为钛合金材质，在内衬1外表面具有复合结构层2，3为接管嘴，通过该接管嘴3连通外界管道。
实施例1
S1：采用螺旋缠绕和环向缠绕的缠绕法在清洁光滑的环形金属内衬外壁上多次缠绕杂环芳纶纤维干纱以获得多层缠绕层。其中，杂环芳纶纤维为俄罗斯芳纶纤维APMOC，线密度为800tex，缠绕时先将干纱倒纱到小线锣上，然后将小线锣装到环形气瓶缠绕机上，接着再将干纱合股绕到钛合金内衬上。在缠绕前，该钛合金内衬表面经过均匀喷砂，并用酒精清洗干净。缠绕螺旋层采用5切点和6切点线型交替缠绕，螺旋层的层数为10层，环向缠绕层的层数为4层。
S2：配置高强度易浸渍的树脂胶，重复多次将所述树脂胶涂刷在经步骤S1获得的多层缠绕层上，以获得复合气瓶的半制品。其中，高强度易浸渍的树脂胶配方及各配方的质量之比为环氧树脂TDE-85：环氧树脂EP01441-310：甲基四氢苯酐：咪唑＝0.25：0.25：0.65：0.005。刷胶时树脂胶的温度为80℃。刷胶分三次进行，依次为第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶分别消耗的树脂胶质量之比为3：1.4：1。刷胶前先把各个配方的胶液混合并充分搅拌均匀，搅拌时间10min，刷胶时使气瓶保持正立且缓慢旋转的状态。第一遍连续刷胶时间30min，刷胶时采用刷子蘸取树脂胶往瓶体涂抹的方式，蘸胶后悬停3～5秒种，从环形复合气瓶环内径方向开始，沿环外径方向涂刷，按同一方向依次刷胶，不允许漏涂漏刷，注意接管嘴周围需要来回连续刷3次。刷胶时注意观察气瓶外表面吸胶情况，到气瓶外表面树脂胶不再向多层缠绕层中渗透，且表面有浮胶，并有树脂胶反光现象出现时停止刷胶。第一次刷胶结束后，在80℃烘箱中保温20min。接着进行第二刷胶，第二次刷胶时间为15min，刷胶方法和烘烤方法与第一次刷胶相同。最后进行第三次刷胶，刷胶时间10min，刷胶方法和烘烤方法与第一次刷胶相同。三次刷胶以及烘烤结束后获得半制品，然后准备进行包覆。
S3：对步骤S2获得半制品进行表面包覆以获得待固化半制品。其中，对烘烤后的半制品用海棉把气瓶表面的浮胶吸掉。在气瓶外表面以适当的张力均匀缠绕一层宽20mm～60mm的聚四氟乙烯带，包覆时先按照接管嘴的形状预先剪制一个圆片，套装到接管嘴根部，并使用石棉橡胶板裁剪两块半圆形垫片，使用冲子在垫片中心冲两个半圆形的孔，然后把垫片对接到接管嘴周围，然后在该周围用聚四氟乙烯带均匀紧凑包覆，在接管嘴位置适当增加包覆张力，以保证树脂胶均匀性，包敷结束后获得待固化半制品，准备送入烘箱固化。
S4：对待固化半制品进行固化，获得金属内衬环形复合气瓶。固化的温度制度为：从炉温开始升温2h→60℃～80℃后保温2～6h，接着升温1h～2h→90℃～100℃保温1h～4h，接着升温1h～4h→120℃～140℃保温3h～8h，随炉降温到不高于50℃时方可出炉。
去除包覆带，得到环形复合气瓶。试验证明按照本实施例1制备得到的复合气瓶经过强度试验、气密性试验、500次疲劳试验以及高低温试验后，再进行爆破，爆破压力为91MPa，符合使用要求。
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同的是：
S1：杂环芳纶纤维的线密度为300tex。
S2：高强度易浸渍的树脂胶配方及各配方的质量比为环氧树脂TDE-85：环氧树脂EP01441-310：甲基四氢苯酐：咪唑＝0.2：0.3：0.7：0.02，刷胶时树脂胶的温度为60℃，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶消耗的树脂胶质量之比为2.2：1.3：0.5。第一遍刷完后，在70℃烘箱中保温10min。接着进行第二刷胶，第二次刷胶时间为15min，刷胶方法和烘烤方法与第一次刷胶相同。最后进行第三遍刷胶，刷胶时间10min，刷胶方法和烘烤方法与第一次相同。三次刷胶以及烘烤结束后获得半制品，然后准备进行包覆。
本实施例2制备得到的复合气瓶经过强度试验、气密性试验、500次疲劳试验以及高低温试验后，再进行爆破，爆破压力为89MPa，符合使用要求。
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同的是：
S1：杂环芳纶纤维的线密度为500tex。
S2：高强度易浸渍的树脂胶配方及各配方的质量比为环氧树脂TDE-85：环氧树脂EP01441-310：甲基四氢苯酐：咪唑＝0.4：0.15：0.55：0.01，刷胶时树脂胶的温度为70℃，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶消耗的树脂胶质量之比为2.4：1.5：0.7。第一遍刷完后，在60℃烘箱中保温50min。接着进行第二刷胶，第二次刷胶时间为15min，刷胶方法和烘烤方法与第一次刷胶相同。最后进行第三遍刷胶，刷胶时间10min，刷胶方法和烘烤方法与第一次相同。三次刷胶以及烘烤结束后获得半制品，然后准备进行包覆。
本实施例3制备得到的复合气瓶经过强度试验、气密性试验、500次疲劳试验以及高低温试验后，再进行爆破，爆破压力为87MPa，符合使用要求。
实施例4本本实施例与实施例1相同，不同的为：
S1：杂环芳纶纤维的线密度为1000tex。
S2：高强度易浸渍的树脂胶配方及各配方的质量比为环氧树脂TDE-85：环氧树脂EP01441-310：甲基四氢苯酐：咪唑＝0.35：0.1：0.5：0.015，刷胶时树脂胶的温度为100℃，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶消耗的树脂胶质量之比为2.7：1：0.85。第一遍刷完后，在100℃烘箱中保温40min。接着进行第二刷胶，第二次刷胶时间为15min，刷胶方法和烘烤方法与第一次刷胶相同。最后进行第三遍刷胶，刷胶时间10min，刷胶方法和烘烤方法与第一次相同。三次刷胶以及烘烤结束后获得半制品，然后准备进行包覆。
本实施例4制备得到的复合气瓶经过强度试验、气密性试验、500次疲劳试验以及高低温试验后，再进行爆破，爆破压力为93MPa，符合使用要求。
图2为本发明制备方法的流程示意图，主要为四大步骤。
本发明中还可以采用铝合金作为金属内衬。
本发明中，对杂环芳纶纤维APMOC的线密度、树脂胶各配方的质量之比、涂刷时树脂胶的温度、三次刷胶消耗的树脂胶质量之比、刷胶后烘烤的温度和时间不限定为以上具体的值和以上具体值的组合，当杂环芳纶纤维线密度为300tex～1000tex、树脂胶各个配方及各配方的质量之比为环氧树脂TDE-85：环氧树脂EP01441-310：甲基四氢苯酐：咪唑＝(0.2～0.4)：(0.1～0.3)：(0.5～0.7)：(0.005～0.02)、涂刷时树脂胶的温度为60℃～100℃、并且第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶分别消耗的树脂胶质量之比为(2～3)：(1～1.5)：(0.5～1)、步骤S2中烘烤温度60～100℃且烘烤保温10min～50min时，均可制备得到金属内衬的环形复合气瓶。但是具体工艺参数和条件不同时，制备得到的金属内衬环形复合气瓶的性能和质量不同。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在清洁光滑的环形金属内衬的外壁上多次缠绕芳纶纤维的干纱以获得多层缠绕层，所述缠绕层采用螺旋缠绕或环向缠绕方式获得；
S2：配置高强度易浸渍的树脂胶，该树脂胶包括环氧树脂TDE-85、环氧树脂EP01441-310、甲基四氢苯酐以及咪唑，重复多次将所述树脂胶涂刷在步骤S1中所述多层缠绕层上，以获得复合气瓶的半制品；
S3：对步骤S2的所述半制品进行表面包覆以获得待固化半制品；
S4:对步骤S3的所述待固化半制品进行固化，获得金属内衬环形复合气瓶。
2.如权利要求1所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，步骤S2所述高强度易浸渍的树脂胶中，环氧树脂TDE-85的质量：环氧树脂EP01441-310的质量：甲基四氢苯酐的质量：咪唑的质量＝(0.2～0.4)：(0.1～0.3)：(0.5～0.7)：(0.005～0.02)。
3.如权利要求1或2所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，所述芳纶纤维为杂环芳纶纤维，且拉伸强度大于4500MPa，且模量大于150GPa。
4.如权利要求3所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，所述芳纶纤维的线密度为300tex～1000tex。
5.如权利要求1或4所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，步骤S2的所述涂刷时，树脂胶的温度为60℃～100℃。
6.如权利要求1所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述涂刷包括第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶，且第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶分别消耗的树脂胶质量之比为(2～3)：(1～1.5)：(0.5～1)。
7.如权利要求6所述的一种金属内衬环形复合气瓶的制备方法，其特征在于，第一次刷胶、第二次刷胶以及第三次刷胶均从所述环形金属内衬的环内径开始并向环外径涂刷，且每次刷胶结束后均对表面经过涂刷的环形金属内衬进行烘烤，所述烘烤在60～100℃中保温10min～50min。
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