CN113954400A - 一种全复合材料压力容器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：①使用脱模剂对石膏模具表面进行处理，脱模剂干燥后涂覆胶黏剂；②前后接头为碳纤维预浸料模压制得；③根据前后接头的型面尺寸与石膏模具的型面尺寸对绝热材料进行设计裁剪并粘贴；④壳体经强度计算后，设计缠绕角度与层数进行湿法缠绕成型；⑤封头用单向碳纤维织物补厚；⑥根据所用树脂体系的固化制度进行旋转固化；⑦脱模处理。该全复合材料压力容器的制造方法可降低压力容器结构质量，提高容器容积效率。
Description
技术领域
本发明属于压力容器制造领域，具体涉及一种全复合材料压力容器的制造方法。
背景技术
复合材料压力容器通常采用玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维缠绕成型。利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体，是近代复合材料发展史上的一个重要里程碑，它起始于60年代初美国“北极星A3”导弹发动机。北极星导弹的第一级和第二级火箭发动机是使用玻纤复合材料通过缠绕工艺制成，其壳体重量比钢壳体减轻60%，容器特性系数提高到12~19km。
针对新一代航天飞行器更加突出的高速度、高精度、高生存和高可靠性的要求，需要设计出轻质化、高比冲和高质量比的固体火箭发动机。高性能PAN基碳纤维复合材料优异的力学性能，使其成为新型固体火箭发动机壳体的首选材料。目前国内外航天领域都在大量使用高性能PAN基碳纤维复合材料，并开展全复合材料压力容器（发动机壳体）的结构设计、成型工艺的研究，全复合材料化是轻质化高性能压力容器的发展趋势。目前对全复合材料压力容器未见许多报道，特别是前后接头的复合材料化。本发明涉及的一种全复合材料压力容器的制造方法，可有效降低压力容器结构质量，提高容器容积效率。
发明内容
本发明目的是为了降低压力容器结构重量，提高容器容积效率，而提出的一种全复合材料压力容器的制造方法。
一种全复合材料压力容器的制造方法，包括（1）石膏模具的成型与表面处理、（2）前后接头的模压成型、（3）绝热材料的铺放、（4）壳体湿法缠绕、（5）封头补厚、（6）旋转固化、（7）脱模。
将石膏、水泥、细砂、水按照一定比例均匀混合后涂敷在铝制分块芯模上，使用刮刀回转塑形，待石膏凝固后，使用硅类脱模剂对石膏模具表面进行处理，待脱模剂干燥后，在石膏模具表面涂覆胶黏剂。
前后接头采用模压方式成型，整体材质为碳纤维复合材料，代替金属接头。
由前后接头的型面尺寸与石膏模具的型面尺寸对绝热材料进行下料设计，根据下料图对绝热材料进行裁剪，依次粘贴到接头、封头及筒身上。
压力容器为不等极孔，螺旋缠绕层采用“非测地线”缠绕。壳体经强度计算后，设计的缠绕角度与层数为[20.6/-20.6/89.75/20.6]2，设计缠绕线型并进行连续的湿法缠绕成型。
圆筒过渡到封头区，由于曲率以及厚度的变化，导致过渡区有附加的弯矩和剪切力作用，出现应力集中，需要对封头及过渡区进行补强处理。补强时，规定赤道圆的圆心为起始0点，纤维沿环向方向为90°方向，沿轴向方向为0°方向。材料选用单向碳纤维织物，补强层角度为903/02/903。
采用两梯度的固化温度对压力容器进行旋转固化，升降温速率控制在1~2℃/min。
模具由内部金属骨架与外部石膏层构成。需要通过拆卸内部金属骨架零件，脱管机将制件脱出，破坏石膏层来脱模。
有益效果
1. 压力容器全复合材料化，可有效降低压力容器的结构重量，提高容器的容积效率。
2. 缠绕壳体与前后接头为相同材质，界面相容性好，提高了界面的粘接性能，降低接头与壳体的开裂风险。
附图说明
图1为全复合材料压力容器的结构示意图。
具体实施方式
全复合材料压力容器主要由接头①、复合材料壳体②、绝热材料③④⑤构成，③为接头上的绝热材料，④为封头上的绝热材料，⑤为筒身上的绝热材料。
1、制件缠绕前，需要铺贴绝热材料，包括接头上的绝热材料③、封头上的绝热材料④、筒身上的绝热材料⑤。绝热材料单层厚度为1mm，接头上绝热材料③与封头上的绝热材料④厚度为4mm，筒身上的绝热材料⑤厚度为2mm。绝热材料③④⑤的层间涂覆胶黏剂。接头上的绝热材料③、封头上的绝热材料④、筒身上的绝热材料⑤相连接的区域采用搭接的方式粘接，搭接宽度为5~10mm，待搭接区域用笔式研磨机打磨至0.5mm，打磨处用丙酮或无水乙醇清洗后涂胶粘接。
2、复合材料壳体②由螺旋缠绕层、环向缠绕以及封头补强层组成，补强层角度为903/02/903。由于压力容器是不等极孔，螺旋缠绕层采用“非测地线”缠绕。螺旋缠绕角度为±20.6°，设计纱宽4.995mm，单层缠绕厚度为0.154mm；环向缠绕角度为89.7º，设计纱宽5.574mm，单层缠绕厚度为0.138mm。
3、补强层共8层，其中2层铺层角度为0°方向，6层铺层角度为90°方向。0°方向铺层沿纤维方向均分为8块，块与块之间采用对接方式铺覆，上下层间对接缝需相互错开30mm；90°方向铺层采用6mm的窄带沿赤道线开始缠绕到铺贴线位置，窄带间不能搭接。
4、固化前先将烘箱内部清理干净，确保烘箱鼓风时无漂浮颗粒、杂物。按照树脂体系的固化制度120℃@2h+150℃@6h执行，升温速度为1℃/min，降温速度为1℃/min，在固化炉内旋转固化，旋转速度为10r/min。
5、待制件冷却后进行脱模。首先拆卸内部金属骨架零件，用脱管机将模具主轴拔出，制件随即脱出，后打碎残留在制件内部的石膏层并清理干净。
Claims (9)
1.一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于，包括：
①石膏模具的表面处理、②绝热材料的铺放、③壳体湿法缠绕、④封头补厚、⑤固化、⑥脱模。
2.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于使用硅类脱模剂对石膏模具表面进行处理，待脱模剂干燥后，在石膏模具表面涂覆胶黏剂。
3.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于前后接头采用模压方式成型，整体材质为碳纤维复合材料，代替金属接头。
4.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于由前后接头的型面尺寸与石膏模具的型面尺寸对绝热材料进行下料设计，根据下料图对绝热材料进行裁剪，依次粘贴到前后接头、前后封头及筒身上。
5.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于压力容器为不等极孔，采用“非测地线”缠绕，壳体经强度计算后，设计缠绕角度、层数、线型并进行连续的湿法缠绕成型。
6.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于圆筒过渡到封头区，由于曲率以及厚度的变化，导致过渡区有附加的弯矩和剪切力作用，出现应力集中，需要对封头及过渡区进行补强处理。
7.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于封头及过渡区进行补强处理，规定赤道圆的圆心为起始0点，纤维沿环向方向为90°方向，沿轴向方向为0°方向；材料选用单向碳纤维织物，补强层角度为903/02/903。
8.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于采用两梯度的固化温度对压力容器进行旋转固化，升降温速率控制在0.1~2℃/min。
9.根据权利要求1所述的一种全复合材料压力容器的制造方法，其特征在于模具由内部金属骨架与外部石膏层构成；需要通过拆卸内部金属骨架零件，脱管机将制件脱出，破坏石膏层来脱模。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |