CN110748785A - 金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，该复合材料气瓶包括金属与非金属复合内衬和碳纤维复合材料层，金属与非金属复合内衬包括上半球、下半球、接管嘴、垫片和拧紧螺母，上半球与接管嘴通过垫片和拧紧螺母采用螺纹连接并压紧，上半球与下半球采用热熔焊焊接在一起，内衬的外表面缠绕碳纤维复合材料层。本发明解决了复合材料气瓶重量大、结构效率低、超薄内衬制造困难等问题，取得了重量减轻、制造成本降低、合格率提升等效益。

Description

金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶及制造方法

技术领域

本发明涉及一种纤维缠绕复合材料气瓶，具体地说，涉及一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶及制造方法。

背景技术

复合材料气瓶是一种用于贮存高压气体介质的容器，由双层结构组成，内层为内衬层，其功能是：(1)防止密封容器中贮存的高压气体泄漏；(2)作为缠绕成型时的支撑芯模；外层是用纤维作为增强材料，树脂作为基体材料，经缠绕固化形成的复合材料层壳体，主要用于承载容器中的高压载荷。该种产品的关键问题是：一方面是要具备长期承受高压的能力；另一方面是要能够长期密闭高压气体介质的能力。

复合材料气瓶作为一种轻质量、高强度、高安全性的容器结构，广泛应用于航空、航天、化工等领域。在同等压力和体积条件下，复合材料气瓶的质量比全金属气瓶要轻40％以上。同时，复合材料气瓶与全金属气瓶相比，还具有更高的安全性(泄漏失效模式)、更好的经济性(其中铝合金内衬的复合材料气瓶成本不到钛合金气瓶的一半)、更高的可靠性(无焊缝、复合结构对制造缺陷的容忍性好)。由于其具有轻质量、高可靠性及良好的空间环境适应性的特点，现已逐渐取代了全金属气瓶在航天器产品中的应用。

为了满足航天动力系统对复合材料气瓶提出的轻量化要求，在不断应用高性能纤维缠绕层增强材料的同时，需逐步优化内衬结构。在合理控制内衬应力应变水平和保证复合材料气瓶强度和疲劳性能技术指标的前提下，选择密度更轻的内衬材料或降低内衬壁厚能够有效提高复合材料气瓶的结构效率，减轻容器重量，实现复合材料气瓶的轻量化目标。

由公开号CN2312400Y的实用新型专利可以看出，该发明通过选用密度更低的塑料作为复合材料气瓶内衬材料，解决了常规复合材料气瓶金属内衬成本高和疲劳性能差的问题。但是相同工作压力、容积下，塑料内衬壁厚比金属内衬厚，导致气瓶结构效率PV/G(P：气瓶的工作压力；V：气瓶的容积；W：气瓶的重量)较航天器用复合材料气瓶结构效率有所降低；另外，由于塑料材料的致密性较差，无法满足航天器对气瓶的漏率要求。

由公开号CN 1715729A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。但该发明受到制造工艺及内衬失稳问题，其内衬最小壁厚依然只能达到0.5mm，无法进一步缩减内衬壁厚。

发明内容

针对航天动力系统对复合材料气瓶提出更严苛的轻量化要求，本发明提供了一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶。

根据本发明的一个方面，提供一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，包括金属与非金属复合内衬(1)和碳纤维复合材料层(2)，金属与非金属复合内衬(1)包括上半球(1-1)、下半球(1-2)、接管嘴(1-3)、垫片(1-4)和拧紧螺母(1-5)，上半球(1-1)与接管嘴(1-3)通过垫片(1-4)和拧紧螺母(1-5)采用螺纹连接并压紧，上半球(1-1)与下半球(1-2)采用热熔焊焊接在一起，内衬(1)的外表面缠绕碳纤维复合材料层(2)。

优选地，金属与非金属复合内衬(1)的厚度(T1)为0.05mm～0.2mm，直径(D1)为100mm～1200mm。

优选地，上半球(1-1)和下半球(1-2)由2层塑料薄膜，中间夹1层金属薄膜，通过热压粘接制成，其中，塑料薄膜材料为聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯；金属薄膜材料为铝合金3003、钛合金TA2。

优选地，接管嘴(1-3)由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，底座直径(D2)为50mm～100mm,通径(D3)为4mm～8mm；螺纹尺寸为M16mm～M30mm。

优选地，垫片(1-4)由铝合金5A06机械加工制成，厚度为2mm～8mm。

优选地，拧紧螺母(1-5)由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，内螺纹尺寸为M16mm～M30mm,厚度为10mm～20mm。

优选地，碳纤维复合材料层(2)是碳纤维/环氧缠绕层，即将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，然后将浸有胶液的碳纤维缠绕在内衬(1)上经固化而成。

根据本发明的另一个方面，提供一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制造加工金属与非金属复合内衬(1)；

步骤2：在金属与非金属复合内衬(1)外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层(2)。

优选地，步骤1中金属与非金属复合内衬(1)的制造方法包括以下步骤：

步骤11：上半球(1-1)、下半球(1-2)热压成型：首先选用2块0.1mm塑料薄板，中间夹1块0.1mm金属薄板，通过模具冲压成直径(D1)为100mm～1200mm的上半球(1-1)，然后给模具加热至一定温度后保温，使塑料薄板与金属薄板粘接牢固，制成上半球(1-1)。采用相同方法制成下半球(1-2)；

步骤12：上半球(1-1)开孔：采用线切割方法在上半球顶部打孔，孔直径为16mm～30mm；

步骤13：接管嘴(1-3)与上半球(1-1)装配：接管嘴(1-3)从上半球(1-1)由内向外安装，底座贴紧上半球(1-1)的内型面，然后将垫片(1-4)从接管嘴上端套入，最后用拧紧螺母通过螺纹拧紧，将垫片(1-4)、上半球(1-1)与接管(1-3)嘴压紧；

步骤14：上半球和下半球焊接：先将下半球套入上半球，直至下半球顶部与接管嘴底座接触，然后采用热熔焊将上半球和下半球焊接在一起，最后通过接管嘴向内衬充气，将下半球翻转后形成球状内衬结构。

优选地，步骤2中碳纤维复合材料层(2)的制造方法包括以下步骤：

步骤21：对内衬(1)的外表面进行打磨处理：将内衬(1)的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙醇试剂清理打磨后的表面；

步骤22：通过接管嘴(1-3)向内衬(1)内灌入砂模糊状原料，滚动内衬(1)使砂模糊状原料均匀分布在内衬(1)内表面，然后将内衬(1)放入烘箱内进行烘干，随炉冷却；

步骤23：碳纤维浸树脂胶：将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，将碳纤维浸树脂胶；

步骤24：碳纤维复合材料的缠绕：首先采用平面缠绕方式，缠绕若干层纵向纤维层，每层缠绕极孔直径依次递增，然后在最外层采用环向缠绕方式，缠绕1层环向缠绕层；

步骤25：固化处理：将缠绕有碳纤维复合材料层(2)的内衬(1)升温到100±5℃,保温60～80min，随炉冷却；

步骤26：清除砂模：向内衬灌入软化剂，将内衬内砂膜充分软化后倒出，然后采用乙醇试剂对内衬进行清洗干净。

本发明的金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶具有以下优点：

1采用金属与非金属复合内衬，解决了复合材料气瓶内衬轻质化问题，较常规金属内衬减重70％以上，复合材料气瓶的结构效率PV/G(P：气瓶的工作压力；V:气瓶的容积；W：气瓶的重量)提升20％以上；

2金属与非金属复合内衬对复合材料气瓶生产和使用过程中产生内衬失稳具有更好的容忍性，解决复合材料气瓶内衬失稳导致疲劳性能下降问题，提升复合材料气瓶可靠性；

3金属与非金属复合内衬制造工艺简单、成本低、周期短、合格率高，解决超薄金属内衬成型工艺困难、合格率极低的问题；

4金属与非金属复合内衬具有金属内衬同等的防渗透性能，解决了塑料内衬、橡胶内衬等非金属内衬泄漏率无法满足航天器超低泄漏率要求(10^-7Pa.m³/s)。

本发明的金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶制造方法具有以下优点：

1通过热压成型和上、下半球熔焊等工艺方法，解决超薄内衬成型困难、金属与非金属材料粘接不牢等问题；

2通过模具加工内衬，保证了超薄内衬尺寸的一致性(壁厚散差不超过0.01mm，球壳圆度不大于0.1mm)；

3采用砂模工艺，解决非金属内衬、超薄内衬缠绕过程中产生失稳、内衬与纤维缠绕层脱粘等问题，

附图说明

附图1为本发明实施例金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶结构示意图。

附图2为本发明实施例中接管嘴结构局部放大示意图。

附图3为本发明实施例中内衬结构局部放大示意图。

附图4为本发明实施例中上半球和下半球焊接装配示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，包括金属与非金属复合内衬1和碳纤维复合材料层2，内衬1包括上半球1-1、下半球1-2、接管嘴1-3、垫片1-4和拧紧螺母1-5，上半球1-1与接管嘴1-3通过垫片1-4和拧紧螺母1-5采用螺纹连接并压紧，上半球1-1与下半球1-2采用热熔焊焊接在一起，内衬1的外表面缠绕碳纤维复合材料层2。

进一步地，金属与非金属复合内衬1的厚度T1为0.05mm～0.2mm，直径D1为100mm～1200mm。上半球1-1和下半球1-2由2层塑料薄膜，中间夹1层金属薄膜，通过热压粘接制成，其中，塑料薄膜材料为聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯；金属薄膜材料为铝合金3003、钛合金TA2。

进一步地，接管嘴1-3由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，底座直径D2为50mm～100mm,通径D3为4mm～8mm；螺纹尺寸为M16mm～M30mm。垫片1-4由铝合金5A06机械加工制成，厚度为2mm～8mm。拧紧螺母1-5由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，内螺纹尺寸为M16mm～M30mm,厚度为10mm～20mm。

进一步地，碳纤维复合材料层2是碳纤维/环氧缠绕层，即将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，然后将浸有胶液的碳纤维缠绕在内衬1上经固化而成。

本发明还提供一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：制造加工金属与非金属复合内衬1。

具体地，金属与非金属复合内衬1的制造方法包括以下步骤：

步骤11：上半球1-1、下半球1-2热压成型：首先选用2块0.1mm塑料薄板，中间夹1块0.1mm金属薄板，通过模具冲压成直径D1为100mm～1200mm的上半球1-1，然后给模具加热至一定温度后保温，使塑料薄板与金属薄板粘接牢固，制成上半球1-1。采用相同方法制成下半球1-2；

步骤12：上半球1-1开孔：采用线切割方法在上半球顶部打孔，孔直径为16mm～30mm；

步骤13：接管嘴1-3与上半球1-1装配：接管嘴1-3从上半球1-1由内向外安装，底座贴紧上半球1-1的内型面，然后将垫片1-4从接管嘴上端套入，最后用拧紧螺母通过螺纹拧紧，将垫片1-4、上半球1-1与接管1-3嘴压紧；

步骤14：上半球和下半球焊接：先将下半球套入上半球，直至下半球顶部与接管嘴底座接触，然后采用热熔焊将上半球和下半球焊接在一起，最后通过接管嘴向内衬充气，将下半球翻转后形成球状内衬结构。

步骤2：在金属与非金属复合内衬1外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层2；

具体地，在金属与非金属复合内衬1外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层2通过以下步骤实现：

步骤21：对内衬1的外表面进行打磨处理：将内衬1的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙醇试剂清理打磨后的表面；

步骤22：通过接管嘴1-3向内衬1内灌入砂模糊状原料，滚动内衬1使砂模糊状原料均匀分布在内衬1内表面，然后将内衬1放入烘箱内进行烘干，随炉冷却；

步骤23：碳纤维浸树脂胶：将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，将碳纤维浸树脂胶；

步骤24：碳纤维复合材料的缠绕：首先采用平面缠绕方式，缠绕若干层纵向纤维层，每层缠绕极孔直径依次递增，然后在最外层采用环向缠绕方式，缠绕1层环向缠绕层；

步骤25：固化处理：将缠绕有碳纤维复合材料层2的内衬1升温到100±5℃,保温60～80min，随炉冷却；

步骤26：清除砂模：向内衬灌入软化剂，将内衬内砂膜充分软化后倒出，然后采用乙醇试剂对内衬进行清洗干净。

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 (10)

1.一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，包括金属与非金属复合内衬（1）和碳纤维复合材料层(2)，所述金属与非金属复合内衬(1)包括上半球（1-1）、下半球（1-2）、接管嘴（1-3）、垫片（1-4）和拧紧螺母（1-5），所述上半球（1-1）与接管嘴（1-3）通过垫片（1-4）和拧紧螺母（1-5）采用螺纹连接并压紧，所述上半球（1-1）与下半球（1-2）采用热熔焊焊接在一起，所述内衬(1)的外表面缠绕碳纤维复合材料层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的金属与非金属复合内衬(1)的厚度为0.05mm～0.2mm，金属与非金属复合内衬（1）的直径为100mm～1200mm。

3.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的上半球（1-1）和下半球（1-2）由2层塑料薄膜，中间夹1层金属薄膜，通过热压粘接制成，其中，塑料薄膜材料为聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯；金属薄膜材料为铝合金3003、钛合金TA2。

4.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的接管嘴（1-3）由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，底座直径为50mm～100mm，通径为4mm～8mm；螺纹尺寸为M16mm～M30mm。

5.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的垫片（1-4）由铝合金5A06机械加工制成，厚度为2mm～8mm。

6.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的拧紧螺母（1-5）由不锈钢0Cr19Ni9机械加工制成，内螺纹尺寸为M16mm～M30mm,厚度为10mm～20mm。

7.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶，其特征在于，所述的碳纤维复合材料层（2）是碳纤维／环氧缠绕层，即将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，然后将浸有胶液的碳纤维缠绕在内衬(1)上经固化而成。

8.根据权利要求1所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制造加工金属与非金属复合内衬（1）；

步骤2：在金属与非金属复合内衬（1）外表面缠绕浸胶的碳纤维复合材料层（2）。

9.根据权利要求8所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶的制造方法，其特征在于，所述步骤1中包括以下步骤：

步骤11：上半球（1-1）、下半球（1-2）热压成型：首先选用2块0.1mm塑料薄板，中间夹1块0.1mm金属薄板，通过模具冲压成直径为100mm～1200mm的上半球(1-1)，然后给模具加热至一定温度后保温，使塑料薄板与金属薄板粘接牢固，制成上半球（1-1）。采用相同方法制成下半球（1-2）；

步骤12：上半球（1-1）开孔：采用线切割方法在上半球顶部打孔，孔直径为16mm～30mm；

步骤13：接管嘴（1-3）与上半球（1-1）装配：接管嘴（1-3）从上半球（1-1）由内向外安装，底座贴紧上半球（1-1）的内型面，然后将垫片（1-4）从接管嘴上端套入，最后用拧紧螺母通过螺纹拧紧，将垫片（1-4）、上半球（1-1）与接管嘴（1-3）压紧；

步骤14：上半球和下半球焊接：先将下半球套入上半球，直至下半球顶部与接管嘴底座接触，然后采用热熔焊将上半球和下半球焊接在一起，最后通过接管嘴向内衬充气，将下半球翻转后形成球形内衬结构。

10.根据权利要求8所述的一种金属与非金属复合内衬纤维缠绕复合材料气瓶的制造方法，其特征在于，所述步骤2中包括以下步骤：

步骤21：对内衬(1)的外表面进行打磨处理：将内衬(1)的外表面用80～120目的砂纸进行打磨处理，再用乙醇试剂清理打磨后的表面；

步骤22：通过接管嘴（1-3）向内衬（1）内灌入砂模糊状原料，滚动内衬（1）使砂模糊状原料均匀分布在内衬（1）内表面，然后将内衬（1）放入烘箱内进行烘干，随炉冷却；

步骤23：碳纤维浸树脂胶：将环氧树脂与固化剂、促进剂按一定比例混合成胶状液体，将碳纤维浸树脂胶；

步骤24：碳纤维复合材料的缠绕：首先采用平面缠绕方式，缠绕若干层纵向纤维层，每层缠绕极孔直径依次递增，然后在最外层采用环向缠绕方式，缠绕1层环向缠绕层；

步骤25：固化处理：将缠绕有碳纤维复合材料层(2)的内衬(1)升温到100±5℃,保温60~80min，随炉冷却；

步骤26：清除砂模：向内衬灌入软化剂，将内衬内砂膜充分软化后倒出，然后采用乙醇试剂对内衬进行清洗干净。

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