CN105465597A - 一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，包括缝铝内衬、安装底座、粘接层和碳纤维复合材料层；安装底座与无焊缝铝内衬构成光滑平整的缠绕芯模；芯模外部缠绕碳纤维复合材料层；芯模与碳纤维复合材料层之间安装有粘接层，牢固连接无焊缝铝内衬和碳纤维复合材料层，该复合材料气瓶容积大、耐高压、效率高、质量轻、安全性高、成本低、制造周期短，同时本发明还提出了该碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶的制造方法。

Description

一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶及其制造方法

技术领域

本发明涉及航天器设计领域，具体涉及一种大容积、耐高压、质量轻、效率高碳纤维缠绕超薄铝合金内衬复合材料气瓶及其制造方法。

背景技术

复合材料气瓶由于具有重量轻、可靠性高、破裂前先泄漏(LBB)的安全失效模式等一系列优点，在航天技术领域中得到了相当广泛的应用，它可增大有效载荷比、降低发射成本、提高使用安全性，因此，在航天系统中已逐渐取代传统的金属材料气瓶。现有航天器系统中采用的复合材料气瓶普遍存在容积小、压力低、重量大、成本高的弊端，一般容积不大于60L，工作压力不高于30MPa，采用2倍结构强度安全系数。然而，随着航天技术的迅猛发展，新一代先进的航天器发动机系统中需求容积更大，压力更高，重量更轻的新型复合材料气瓶。尤其是复合材料气瓶的减重要求是制约新一代先进发动机系统研制和发展的技术瓶颈之一。

1970年以来，飞机、火箭、卫星、飞船等飞行器高功率重量比的需要，航空航天科学家们研制出了各种先进复合材料，如玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、Kevlar纤维、PBO纤维等高性能增强材料。碳纤维是20世纪60年代迅速发展起来的高新材料，因具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、导电、传热等特性，而被广泛用于航天系统结构件和复合材料压力容器。以T1000为代表的碳纤维具有显著的性能优势，在当前空间复合材料压力容器的缠绕纤维中占据主导地位。

早期复合材料气瓶是从金属材料气瓶的基础上发展起来的，因此设计重点关注在能够承压的金属内衬上，不太关注外面的缠绕层，认为缠绕层主要是为了提高产品可靠性，对金属内衬强度给予补充。因此，早期金属内衬多为负载型（load-sharing），即内衬和复合材料缠绕层共同分担内压，内衬也是承载结构要素之一，厚度较大（约为不用纤维缠绕时全金属容器壁厚的1/4～1/2）。随着对金属内衬和复合材料这种组合结构认识的不断提高，以及薄壁金属内衬工艺制造水平的大幅提高，薄壁型（thin-liner）金属内衬/纤维缠绕压力容器在航天器上广泛采用，重量大大减轻。薄壁金属内衬主要起到密闭增压介质，提供缠绕芯模，自身不分担载荷，壁厚可做得极薄，复合材料缠绕层作为承载结构。

常用的金属内衬材料有铝合金、不锈钢、纯钛、钛合金、因科乃尔合金等。对于高循环寿命应用的压力容器宜采用较高屈服强度材料如钛合金、不锈钢、因科乃尔合金内衬，工作时内衬应变处于弹性范围。对于低循环寿命应用的压力容器采用铝合金或纯钛超薄内衬，工作时内衬应变处于塑性范围。航天系统中的压力容器多数属于低循环寿命应用的压力容器，因此采用超薄铝内衬或钛内衬更加适宜、经济。然而，从制造工艺来看，目前只有铝内衬能够制造无焊缝结构，钛内衬只能制造焊接结构。多数复合材料气瓶的非正常低压失效是由于金属内衬的焊接质量和焊接结构设计不合理造成的，无缝铝合金内衬具有无焊缝的特点，大大降低了复合材料气瓶的非正常失效的机率。另外，由于钛的密度大，由工艺所限壁厚也做不到非常薄，所以钛内衬通常比铝内衬重量更重；由于钛材比铝材贵，且钛内衬的加工工艺（包括焊接）更复杂，所以钛内衬要比铝内衬成本更高。

因此铝内衬/碳纤维复合材料气瓶更适于航天系统使用，目前国内尚无100升超薄铝内衬的应用先例，现有小容积的铝内衬一般也壁厚较厚，在复合材料气瓶中所占的重量比较大，且由于铝内衬仅起到密闭增压介质的作用，自身不分担载荷，这就限制了复合材料气瓶的结构效率PV/W（P为气瓶爆破压力，V为气瓶容积，W为气瓶重量），通常为20km～25km。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种容积大、耐高压、效率高、质量轻、安全性高、成本低、制造周期短、工作压力为35MPa、100L碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，同时还提出了该碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶的制造方法。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，包括缝铝内衬、安装底座、粘接层和碳纤维复合材料层；安装底座与无焊缝铝内衬构成光滑平整的缠绕芯模；芯模外部缠绕碳纤维复合材料层；芯模与碳纤维复合材料层之间安装有粘接层，牢固连接无焊缝铝内衬和碳纤维复合材料层。

一些实施例中，无焊缝铝内衬采用6061-T6铝合金板材或饼材制造，由接管嘴、椭球封头、圆柱段、椭球封底四部分组成；接管嘴与椭球封头光滑无缝连接，接管嘴和椭球封头、椭球封头和圆柱段、圆柱段和椭球封底之间的过渡区域采用变壁厚补强。

进一步，所述粘接层是均匀粘贴或涂刷在无焊缝铝内衬外表面的粘接剂薄层。碳纤维复合材料层采用的增强材料为T1000碳纤维，基体材料由凤凰牌电子级环氧树脂与改性脂环胺固化剂按照环氧当量配比混合而成；碳纤维复合材料层采用多向螺旋与环向缠绕方式的等强度铺层，所述等强度铺层由内向外的铺层顺序为，爆破强度安全系数不低于1.5。

本发明的另一技术方案在于提出一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制造加工无焊缝铝内衬；

步骤2：粘接安装底座；

步骤3：粘贴或涂刷粘接层；

步骤4：缠绕碳纤维复合材料层；

步骤5：碳纤维复合材料层固化；

步骤6：气瓶“自紧”处理，固化成型的气瓶按照建模仿真所确定的自紧压力，逐只进行“自紧”处理。

进一步，所述步骤1采用铝合金6061-T6板材或饼材，先经过多道拉深和退火处理制成无焊缝铝内衬的椭球封底和圆柱段；然后采用数控旋压收口工艺对椭球封头和接管嘴进行收口成型；最后通过机械车削和化学铣切等保证无焊缝铝内衬的尺寸和壁厚。

进一步，所述步骤2和步骤3中，先将安装底座粘接在无焊缝铝内衬的椭球封底的极点处，形成缠绕芯模；然后在无焊缝铝内衬的椭球封头、圆柱段和椭球封底及安装底座的外表面粘贴或涂刷粘接层。

进一步，所述步骤4使用三束浸胶的T1000碳纤维缠绕，缠绕时对纤维施加一定的张力，随着缠绕的进行，纤维张力由内向外逐渐递减，张力范围为37N～15N，碳纤维的体积含量达到0.67。

进一步，所述步骤5缠绕结束后对气瓶进行固化，固化过程中，气瓶绕轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化制度依次为：

1）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到40±3℃，保温2小时；

2）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；

3）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；

4）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温3小时；

5）以不超过3℃/min的速度使气瓶冷却到室温，实现固化。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶具有耐高压、大容积、长度长、质量轻的特点，采用1.5倍安全系数，且具有较高的结构效率PV/W（P为气瓶爆破压力，V为气瓶容积，W为气瓶重量），PV/W值至少为31Km，最高可以达到35Km。

使用本发明所述方法制造的复合材料气瓶具有效率高、质量轻、低成本、短周期等优点，其中超薄无焊缝铝内衬具有重量轻、制造成本低、工艺性能稳定的特点。通过铝内衬的变壁厚补强设计达到最大限度减重目的，通过合理的变角度纤维缠绕铺层设计和固化制度，保证使用最少的纤维达到强度要求，缠绕层结构效率达到51Km以上，并保证气瓶破坏撕裂起始于气瓶的筒体部位，爆破无碎片。

结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面和优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的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为本发明100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶的结构示意图；

图2为无焊缝铝内衬和安装底座构成的缠绕芯模的结构示意图；

图3为100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法流程图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

如图1所示，本发明实施例提供的一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，主要由无焊缝铝内衬1、安装底座2、粘接层3和碳纤维复合材料层4构成。无焊缝铝内衬1由接管嘴11、椭球封头12、圆柱段13和椭球封底14四部分组成，其与安装在椭球封底14极点处的安装底座2构成光滑平整的缠绕芯模；芯模外部缠绕碳纤维复合材料层4；芯模与碳纤维复合材料层4之间安装有粘接层3，牢固连接无焊缝铝内衬1与碳纤维复合材料层4。

所述无焊缝铝内衬1的圆柱段13的外径D为326mm、长度L1为1090mm，椭球封头12和椭球封底14外型面的椭圆曲面矢高L2为111mm，保证铝内衬容积为100L，接管嘴11的外螺纹为M24、通径为φ8mm，接管嘴11与椭球封头12光滑无缝连接。由于铝内衬主要用作缠绕芯模和密闭气体，设计中假设其不承受内压载荷，由复合材料层承受全部内压载荷，故为使铝内衬重量尽量做轻，将铝内衬的壁厚尽可能地减薄，在其接管嘴11和椭球封头12、椭球封头12和圆柱段13及圆柱段13和椭球封底14等部分之间的过渡区域采用变壁厚补强设计，圆柱段13壁厚T1为1.3mm～1.6mm，椭球封头12和椭球封底14的壁厚T2不小于2.5mm，圆柱段13与椭球封头12和椭球封底14过渡区域壁厚T3的变化范围为1.3mm～2.6mm，接管嘴11根部壁厚T4不小于5mm，椭球封底14根部壁厚T5不小于4mm。

所述安装底座2采用6061铝合金棒材制造，其一端型面与椭球封底14极点处的外型面配合一致，另一端带有4个安装不锈钢钢丝螺套的M6连接螺纹，供与结构件相连。由于铝合金强度、硬度较低，螺纹在反复拆装后容易出现烂牙和螺纹咬死等现象，因此在安装底座的内螺纹上安装不锈钢钢丝螺套，提高螺纹反复拆装能力，此种安装方式可有效防止气瓶轴向及周向窜动，提高气瓶连接结构的可靠性以及抗力学环境的能力。

所述粘接层3是均匀粘贴或涂刷在无焊缝铝内衬1外表面的粘接剂薄层，既能防止无焊缝铝内衬1和碳纤维复合材料层4之间的电化学腐蚀，又能将二者牢固粘接，提高无焊缝铝内衬1抗失稳能力。

所述碳纤维缠绕层4的铺层次序通过CADWIND软件进行设计，并通过ANSYS有限元分析软件进行优化。设计中假设气瓶内压载荷全部由纤维承担，树脂基体仅起传递载荷作用，选用T1000碳纤维作为增强材料，基体材料是由凤凰牌电子级环氧树脂与改性脂环胺固化剂按照环氧当量配比混合成胶状，每次配胶量不超过500g，以防止胶液使用时间过长而胶液粘度发生明显变化。通过合理的螺旋向和环向纤维缠绕的铺层数量和次序来实现主应力方向的等强度，圆柱段13部分碳纤维缠绕层的铺层次序为，椭球封头12和椭球封底14部分碳纤维缠绕层的铺层次序为，保证气瓶爆破强度安全系数不低于1.5。

本发明另一方面，提供一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制造加工无焊缝铝内衬1；

采用铝合金6061-T6板材或饼材，先经过多道拉深和退火处理制成无焊缝铝内衬1的椭球封底14和圆柱段13；然后采用数控旋压收口工艺对椭球封头12和接管嘴11进行收口成型；最后通过机械车削和化学铣切等保证无焊缝铝内衬1的尺寸和壁厚，其结构尺寸如图2所示，分别为：圆柱段13外径D=326mm，长度L1=1090mm，椭球封头12和椭球封底14外型面的椭圆曲面矢高L2=111mm，保证铝内衬容积为100L，接管嘴11的外螺纹为M24、通径为φ8mm，接管嘴11与椭球封头12光滑无缝连接。圆柱段13壁厚T1=1.3mm～1.6mm，椭球封头12和椭球封底14的壁厚T2≥2.5mm，圆柱段13与椭球封头12和椭球封底14过渡区域壁厚T3=1.3mm～2.6mm，接管嘴11根部壁厚T4≥5mm，椭球封底14根部壁厚T5≥4mm；

步骤2：粘接安装底座2；

采用6061铝合金棒材制造安装底座2，其一端型面与椭球封底14极点处的外型面配合一致，另一端带有4个安装不锈钢钢丝螺套的M6连接螺纹；然后将安装底座2粘接在无焊缝铝内衬1的椭球封底14的极点处，形成缠绕芯模；

步骤3：粘贴或涂刷粘接层3；

在无焊缝铝内衬1的椭球封头12、圆柱段13和椭球封底14及安装底座2的外表面粘贴或涂刷一层薄薄的粘结剂作为粘接层3；

步骤4：缠绕碳纤维复合材料层4；

由凤凰牌电子级环氧树脂与改性脂环胺固化剂按照环氧当量配比混合成树脂基体胶液。三束浸胶的T1000碳纤维在芯模外表面进行缠绕，在圆柱段13外表面上采用纵向螺旋和环向交替缠绕方式，铺层次序为；椭球封头12和椭球封底14外表面上采用变角度纵向螺旋缠绕，铺层次序为。在缠绕过程中，通过摆臂式伺服电机控制纱架，以实现对纤维施加一定的张力T，随着缠绕的进行，每根纤维张力从37N逐渐降到15N。缠绕时通过吐丝嘴的摆动，使三束纤维所展成的平面始终与内衬表面相切；并适当控制树脂基体胶液含量，确保碳纤维的体积含量达到0.67；

步骤5：碳纤维复合材料层4固化；

缠绕结束的气瓶放入固化炉进行固化成型，固化过程中，气瓶绕轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化制度依次为：（1）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到40±3℃，保温2小时；（2）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；（3）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；（4）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温3小时；（5）以不超过3℃/min的使气瓶冷却到室温，实现固化；

步骤6：气瓶“自紧”处理，将固化成型的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶按照建模仿真所确定的自紧压力，逐只进行“自紧”处理。

按照本发明具体实施方式制造的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，具有耐高压、大容积、效率高、质量轻、低成本、短周期等优点，其主要技术指标为：

（1）工作压力35MPa

（2）气瓶容积100L

（3）最小爆破压力≥52.5MPa

（4）空瓶重量≤17.5kg

（5）安全系数≥1.5

（6）疲劳次数≥200次

（7）残余变形率＜5%

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，其特征在于，包括缝铝内衬、安装底座、粘接层和碳纤维复合材料层；

所述安装底座与无焊缝铝内衬构成光滑平整的缠绕芯模；芯模外部缠绕碳纤维复合材料层；芯模与碳纤维复合材料层之间安装有粘接层，牢固连接无焊缝铝内衬和碳纤维复合材料层。

2.根据权利要求1所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述无焊缝铝内衬采用6061-T6铝合金板材或饼材制造，由接管嘴、椭球封头、圆柱段、椭球封底四部分组成；接管嘴与椭球封头光滑无缝连接，接管嘴和椭球封头、椭球封头和圆柱段、圆柱段和椭球封底之间的过渡区域采用变壁厚补强。

3.根据权利要求1所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述粘接层是均匀粘贴或涂刷在无焊缝铝内衬外表面的粘接剂薄层。

4.根据权利要求1所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述碳纤维复合材料层采用的增强材料为T1000碳纤维，基体材料由凤凰牌电子级环氧树脂与改性脂环胺固化剂按照环氧当量配比混合而成；碳纤维复合材料层采用多向螺旋与环向缠绕方式的等强度铺层，所述等强度铺层由内向外的铺层顺序为，爆破强度安全系数不低于1.5。

5.根据权利要求2所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶，其特征在于，所述圆柱段的外径D为330mm，长度L1为1090mm，壁厚T1为1.3mm～1.6mm，椭球封头和椭球封底外型面的椭圆曲面矢高L2为111mm，壁厚T2≥2.5mm，圆柱段与椭球封头和椭球封底过渡区域壁厚T3的变化范围为1.3mm～2.6mm；接管嘴的外螺纹为M24、通径为φ8mm，接管嘴根部壁厚T4≥5mm，椭球封底根部壁厚T5≥4mm。

6.如权利要求1所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制造加工无焊缝铝内衬；

步骤2：粘接安装底座；

步骤3：粘贴或涂刷粘接层；

步骤4：缠绕碳纤维复合材料层；

步骤5：碳纤维复合材料层固化；

步骤6：气瓶“自紧”处理，固化成型的气瓶按照建模仿真所确定的自紧压力，逐只进行“自紧”处理。

7.根据权利要求6所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，其特征在于，所述步骤1采用铝合金6061-T6板材或饼材，先经过多道拉深和退火处理制成无焊缝铝内衬的椭球封底和圆柱段；然后采用数控旋压收口工艺对椭球封头和接管嘴进行收口成型；最后通过机械车削和化学铣切等保证无焊缝铝内衬的尺寸和壁厚。

8.根据权利要求6所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中，先将安装底座粘接在无焊缝铝内衬的椭球封底的极点处，形成缠绕芯模；然后在无焊缝铝内衬的椭球封头、圆柱段和椭球封底及安装底座的外表面粘贴或涂刷粘接层。

9.根据权利要求6所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，其特征在于，所述步骤4使用三束浸胶的T1000碳纤维缠绕，缠绕时对纤维施加一定的张力，随着缠绕的进行，纤维张力由内向外逐渐递减，张力范围为37N～15N，碳纤维的体积含量达到0.67。

10.根据权利要求6所述的100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶制造方法，其特征在于，所述步骤5缠绕结束后对气瓶进行固化，固化过程中，气瓶绕轴线以5～10r/min的转速作回转运动，固化制度依次为：

1）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到40±3℃，保温2小时；

2）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到80±5℃，保温2小时；

3）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到120±5℃，保温2小时；

4）以0.6±0.1℃/min的升温速度升高到140±5℃，保温3小时；

5）以不超过3℃/min的速度使气瓶冷却到室温，实现固化。