CN108058406A - 一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法 - Google Patents

一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，包括如下步骤：将复合材料组合式芯模拼接完整后放置于缠绕机上，在模具上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡；用与树脂胶液混合后的碳纤维以螺旋和环向形式完全包覆在芯模表面，进行湿法缠绕，缠绕至设定层数后停止，形成缠绕层；在缠绕层上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡，再继续进行缠绕，直至缠绕至设定层数后停止；将完成缠绕工艺的贮箱放入固化炉中进行固化，完成后脱模，即得。本发明通过纳米改性树脂以及制造稳定的富树脂层可有效的解决全复合材料低温液氧贮箱在工程化应用过程中的渗漏问题，提高了航天产品的可靠性。

Description

一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备 方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型，具体地，涉及一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法。
背景技术
随着航天科技的发展，对航天器性能的提高越来越受到各发达国家的重视。如何提高航天器的运载效率、降低成本成为了未来航天运载火箭以及航天飞行器的重要研究内容。燃料贮箱作为未来进行低地球轨道载人深空探索任务的航天器的关键部件，成为了减重的重点。另外，未来各航天大国重点发展方向为可重复使用航天飞行器Reusable LaunchVehicles(RLV)，是降低航天运输费用、提高操作效率的一条十分有效的途径，其最终的发展方向是完全重复使用和实现单级入轨。美国NASA对未来可重复使用飞行器的结构重量比例提出了要求，目前使用的金属贮箱难以达到重复使用飞行的起飞质量要求。为了达到未来航天器的减重要求，各航天大国从民用运载到军事用途，都围绕贮箱减重开展了的相关研究并取得了一些成果。如美国为了其登月及登陆火星计划所开展的ARES计划，运载火箭的上面级计划要采用复合材料低温贮箱，可以大大降低重量，因而提高了入轨能力。下一代运载火箭计划与传统的一次性使用的航天器相比，贮箱减重成为了重点
根据相关文献调研，现有的以碳纤维增强树脂基复合材料作为缠绕层的压力容器的成型形式多为内衬(包括金属内衬、塑料内衬以及气囊)上缠绕成型，其中，复合材料层仅作为结构层。因此，对于传统的复合材料压力容器，其中的金属内衬可在很大程度上起到防止气体泄漏的作用；然而对于无内衬全复合材料压力容器，为了能够防止气体泄漏，必须采取一定的防范措施。
对于压力容器而言，其变形不仅因载荷而引起，而且温度的变化对其影响也非常显著。当液氧贮箱注入液氧中，复合材料经受了大幅度的降温冲击，由于其横向与纵向的冷热变形不同，会在组分材料中引起应力，导致在层合板中会形成微裂纹，这种微裂纹一般都是沿着纤维方向，不同铺层的角度不同，如果相邻层合板的微裂纹相互重叠，就会产生微裂纹的交叉点，气体的渗漏路径就会由此形成，即气体分子通过层合板之间的微裂纹和孔隙进行渗透。在高压承载层合板中，由于形变产生大量的微裂纹和孔隙聚集形成通道，使得气体分子可以沿着微裂纹形成的通道渗漏，从而造成复合材料层在低温条件下会产生泄漏。
根据上述情况，仅仅通过适当的材料配置和铺层使层合板的热膨胀系数为零，即所谓的“零膨胀系数”设计，虽然可以在一定程度上避免在高低温冲击环境下微裂纹的产生，但是考虑到液氧与复合材料的相容性，以及航天工程的可靠性，通过在复合材料液氧贮箱内部树脂层改性，并通过相关方法形成一层富树脂稳定层可以更好地解决上述问题。
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防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，能够避免全复合材料低温液贮箱在经受低温冲击环境下微裂纹的产生，以及由于液氧与复合材料的相容性造成的贮箱泄漏的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将复合材料组合式芯模拼接完整后放置于缠绕机上，在模具上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡；
步骤2：用与树脂胶液混合后的碳纤维以螺旋和环向形式完全包覆所述组合式芯模表面，进行湿法缠绕，缠绕至设定层数后停止，形成缠绕层；
步骤3：在缠绕层上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡，再继续进行缠绕，直至缠绕至设定层数后停止；
步骤4：将完成缠绕工艺的贮箱放入固化炉中进行固化；
步骤5：固化完成后将所述芯模脱去，即可得到运载火箭用全复合材料低温液氧贮箱。
优选地，所述改性树脂为用碳纳米管或者石墨烯改性的环氧树脂、氰酸酯树脂或者氰酸酯改性环氧树脂，所述的膜为石墨烯膜或者碳纳米管膜，所述的毡为碳纤维毡或者玻璃毡。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中通过采用贮箱内部采用纳米材料改性树脂，有效地解决了复合材料与液氮的相容性；通过一层或多层膜/毡富树脂层用于隔绝液氮，在一定程度上起到类似金属内衬的效果，大幅度提高全复合材料贮箱防漏防渗性能。
2、本发明有效地解决了全复合材料低温液氧贮箱在工程化应用过程中的渗漏的瓶颈问题，提高了航天产品的可靠性。
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为本发明中运载火箭用全复合材料低温液氧贮箱的结构示意图。
图2为本发明中运载火箭用全复合材料低温液氧贮箱的侧剖示意图
图中：1-浸纳米改性胶膜/毡层；2-复合材料层；3-浸胶膜/毡层。
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。
实施例
一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将复合材料组合式芯模拼接完整后放置于缠绕机上，在模具上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡；所述的改性树脂为用石墨烯改性的氰酸酯改性环氧树脂；
步骤2：用与树脂胶液混合后的碳纤维以螺旋和环向形式完全包覆所述组合式芯模表面，进行湿法缠绕，缠绕至设定层数后停止，形成缠绕层；
步骤3：在缠绕层上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡，再继续进行缠绕，直至缠绕至设定层数后停止；
步骤4：将完成缠绕工艺的贮箱放入固化炉中进行固化；
步骤5：固化完成后将所述芯模脱去，即可得到运载火箭用全复合材料低温液氧贮箱。
所述的浸胶膜/毡为石墨烯膜，层数为1层
所述的缠绕设定层数为当缠绕层为1cm后。
本发明中通过采用贮箱内部采用纳米材料改性树脂，有效地解决了复合材料与液氮的相容性；通过一层或多层膜/毡富树脂层用于隔绝液氮，在一定程度上起到类似金属内衬的效果，大幅度提高全复合材料贮箱防漏防渗性能，有效地解决了全复合材料低温液氧贮箱在工程化应用过程中的渗漏的瓶颈问题，提高了航天产品的可靠性。
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 (4)

1.一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将复合材料组合式芯模拼接完整后放置于缠绕机上，在模具上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡；
步骤2：用与树脂胶液混合后的碳纤维以螺旋和环向形式完全包覆所述组合式芯模表面，进行湿法缠绕，缠绕至设定层数后停止，形成缠绕层；
步骤3：在缠绕层上铺覆一层或者多层完全浸透改性树脂的膜或者毡，再继续进行缠绕，直至缠绕至设定层数后停止；
步骤4：将完成缠绕工艺的贮箱放入固化炉中进行固化；
步骤5：固化完成后将所述芯模脱去，即可得到运载火箭用全复合材料低温液氧贮箱。
2.根据权利要求1所述的一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，其特征在于，所述改性树脂为用碳纳米管或者石墨烯改性的环氧树脂、氰酸酯树脂或者氰酸酯改性环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，其特征在于，所述的膜为石墨烯膜或者碳纳米管膜。
4.根据权利要求1所述的一种防渗防漏的运载火箭全复合材料低温液氧贮箱的制备方法，其特征在于，所述的毡为碳纤维毡或者玻璃毡。
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