CN118009217A - 一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法，其中，超轻超低温贮箱由碳纤维缠绕外壳、中间层、碳纤维缠绕内层、隔热层组成。本发明的超轻复合层超低温贮箱制造方法是通过在液氧相容树脂体系碳纤维复合材料外层依次缠绕中间层和外层树脂体系碳纤维复合材料。该超轻复合层超低温贮箱内部贮存一定内压的液氧、液氮、液氢等超低温液体，满足多次循环使用，不仅可以解决纯碳纤维复合材料贮箱的泄漏问题，还解决了由于低温金属收缩产生的内衬与碳纤维层分离的技术难题。

Description

一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法

技术领域

本发明属于航空航天制造技术领域，尤其涉及一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法。

背景技术

航天运载器作为能够将人造卫星、空间站、飞船等太空装置送入宇宙空间的重要飞行载具，是一个国家航天科技水平的重要标志。未来航天器及运载火箭的发展趋势是具备高运载能力，同时最大程度降低其制造成本，例如低成本航天器(ELV)、可重复使用飞行器(RLV)、单级入轨(SSTO)等航天器，这就需要将航天器的发射总重量(GLOG)降到最低。美国航空航天局(NASA)通过研究发现，只有将净重与发射总重量的比值控制在0.092以内，才能实现航天器可重复使用的目标。为了实现高运载力、低成本航天器的发展，首先必须解决的就是飞行器整体重量过大的问题。推进剂贮箱作为运载火箭的主要组成部分之一，占据了很大的空间，是主要的减重部件。

目前，世界上主流的航空运载器均尝试使用复合材料来降低整机的重量以及生产成本，部分发达国家已成功将其应用在航天飞行器低温贮箱的制造之中。我国在低温复合材料贮箱领域的研究起步较晚，目前还处于研究的初级阶段，全复合材料贮箱还未能实现工程化应用。在全面了解国内外制造工艺、技术及存在问题的基础上，大幅提升航天低温复合材料贮箱的自主研发能力，制造国产低温全复合材料贮箱，对我国新一代运载火箭及飞行器的研发具有重要的战略意义。

在典型的运载火箭推进系统中，液氢燃料贮箱及配套管路工作于-253℃条件下，液氧燃料贮箱及配套管路工作于-183℃条件下。除此之外，为了保证运载火箭的整体稳定性，同时维持低温燃料的液体状态，贮箱内一般存在0.2～1MPa的压力。针对上述复杂的工作环境，复合材料贮箱不仅需要承受冷热交变循环应力以及贮箱内外的巨大压差，还需要保证在整个运行过程中贮箱的密封性能。因此，低温下复合材料的性能、渗透性以及液氧相容性对贮箱的整体性能起着至关重要的作用。金属内衬是解决该类问题的关键，早在1969年，我国就开展了有关复合材料贮箱的研究，类似于国外早期的含有内衬的复合材料贮箱制造工艺，采用不锈钢为内衬，壳体使用玻璃纤维/环氧树脂复合材料，但之后在该领域无实质性的技术突破。直到2002年，开始探究聚合物基复合材料与液氧相容性的问题，并研发制造了我国第一个H₂O₂复合材料贮箱。众多国内高校、研究院所都在进行有关复合材料低温贮箱的关键性技术研究工作，力争早日实现复合材料贮箱的工程化应用。但是目前金属内衬轻量化贮箱的热应力循环仍然无法解决内衬与外层的结合难题，导致多次重复使用时界面分层而破坏。

考虑到这些难点，非常需要对新一代运载火箭和飞行器有限空间内将结构设计与制造进行极限式创新，特别是贮箱外层(150℃)与内部低温(-253℃)的循环温差服役状态要求。超轻复合层超低温贮箱由铝合金复合层夹层的内外层缠绕碳纤维复合材料，实现贮箱的轻量化、保温和防渗漏的整体结构设计和制造。

发明内容

本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超轻复合层超低温贮箱及其制造方法，满足贮箱外层(150℃)与内部低温(-253℃)的循环温差服役状态要求，实现贮箱的轻量化、保温和防渗漏。

本申请提供的技术方案如下：

第一方面，提供了一种超轻复合层超低温贮箱，包括从内到外依次设置的碳纤维缠绕内层、中间层、碳纤维缠绕外壳，碳纤维缠绕内层和碳纤维缠绕外壳的材质均为液氧相容树脂体系碳纤维复合层，中间层材质为与液氧或液氢具有相容性的金属。

所述碳纤维缠绕外壳和碳纤维缠绕内层的碳纤维缠绕角度均为45度至90度。

所述碳纤维缠绕内层和外壳之间的碳纤维缠绕角度为35度至60度。

所述碳纤维缠绕外壳和碳纤维缠绕内层的碳纤维缠绕角度不相同。

所述碳纤维缠绕外壳的厚度为0.5mm至20mm，中间层的厚度为0.05mm至0.7mm，中间层的厚度为0.05mm至0.7mm。

所述中间层材质为铝合金、或钛合金。

所述碳纤维缠绕外壳的外部还设置有外部隔热层；外部隔热层的材质为隔热瓦、或气凝胶。

第二方面，提供了一种超轻复合层超低温贮箱的制造方法，包括：

S1:采用预浸后的碳纤维线制作碳纤维缠绕内层，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

S2:在碳纤维缠绕内层外涂覆低温胶，然后进行金属箔材的缠绕，然后再涂覆低温胶，依次进行，在碳纤维缠绕内层外侧制得中间层；

S3:在中间层外部采用预浸后的碳纤维线缠绕，在中间层外制得碳纤维缠绕外壳，获得半成品箱体，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

S4:将半成品箱体固化，获得固化后的箱体；

S5:在固化后的箱体的外层涂覆热防护和隔热材料，获得外部隔热层；

获得上述任一所述的一种超轻复合层超低温贮箱。

所述步骤S2和S3在，目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围1/2位置的温度作为目标循环温度。

所述步骤S4中，固化的温度和时间分别为60-250度和5-20分钟。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

该结构形式简单，易于加工，通过不同缠绕方式形成复杂轮廓的超轻超低温贮箱，相比于单层金属内衬，有效地规避了常规两层结构中金属内衬和缠绕层的热膨胀系数不同带来的界面热应力，降低了对界面粘接低温胶的要求，解决了由于低温金属收缩产生的内衬与碳纤维复合材料层分离的技术难题。

这种超轻复合层航天超低温贮箱及其制造方法专利是一种全新的创新性设计，具有诸多优势，与现有技术相比具有非常重要的有益效果。

首先，在重量优势方面，这种超轻复合层航天超低温贮箱采用了复合材料的制造工艺，该工艺具有超轻的特点，因此相对于传统的航天超低温贮箱，它的重量轻了很多。这样可以在发射升空的时候，减少贮箱的整体重量，从而降低火箭的负担，减少发射成本。

其次，在防渗漏方面，这种超轻复合层航天超低温贮箱还具备非常出色的防渗漏性能。传统的航天超低温贮箱一旦泄露，可能会对贮藏物品造成很大的损失和影响。但是这种新型贮箱采用了本专利的制造工艺，内外层之间通过紧密联系的复合工艺达到了无缝连接的效果，中间层紧紧约束在内外层碳纤维中间，在高低温循环时会随着内外层碳纤维一起膨胀和收缩，没有多余的变形空间，大大减少了泄露的可能性，保证了超低温熔液在运输或者长时间使用过程中的安全性。

最后，这种新型航天超低温贮箱的温度控制体系具有非常出色的超低温效果。贮箱的隔热层具有极佳的保温性能，可以保证里面的温度在一定时间内能够被稳定地维持在超低温度范围内，甚至可以达到-200℃的极低温度。这种温度控制效果非常出色，并且可以在不同的物品贮藏情况下进行灵活调节，最大限度地保障了贮箱的内部压力。

总的来说，这种超轻复合层航天超低温贮箱及其制造方法专利，具有非常突出的优势和有益效果。它的重量优势、防渗漏、超低温等方面的优势，使得它可以被更广泛地应用于未来的各种可重复使用的航天任务中，从而使得航天飞船更加安全可靠，为探索更未知的宇宙空间提供重要的支撑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超轻复合层超低温贮箱示意图；

图2是本发明实施例提供的双圆截面超低温贮箱示意图；

图3是本发明实施例提供的三圆截面超低温贮箱示意图；

附图标号说明：1、低温贮箱；2、调节阀；3、液体进出口；11、碳纤维缠绕内层；12、内层低温胶；13、中间层；14、外层低温胶；15、碳纤维缠绕外壳；16、外部隔热层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种超轻复合层超低温贮箱，包括从内到外依次设置的碳纤维缠绕内层11、中间层13、碳纤维缠绕外壳15、外部隔热层16，其中，碳纤维缠绕内层11起到支撑作用，中间层13材质为与液氧或液氢相容的金属材质，中间层13起到防渗漏功能，碳纤维缠绕外壳15起到增强和固定中间层13作用。获得的贮箱在-200℃至150℃温度范围内，贮箱的工作压力根据贮箱最大半径确定，循环次数满足≥100次，形成重复使用的密封压力容器。解决了单层内衬热传输的热胀冷缩带来界面应力产生的分离问题。整体梯形截面、球体、端盖等异型贮箱结构可以通过整体缠绕组成，实现贮箱不同区域的耐压、防渗漏作用。

碳纤维缠绕内层11和碳纤维缠绕外壳15的材质均为液氧相容树脂体系碳纤维复合层，中间层13覆盖于碳纤维缠绕内层11外表面，碳纤维缠绕内层11和碳纤维缠绕外壳15均为碳纤维以环向和螺旋向交替缠绕的方式，形成具有较高强度和一定密封作用的壳体。

碳纤维缠绕外壳15和碳纤维缠绕内层11的碳纤维缠绕角度均为45度至90度。优选的，碳纤维缠绕内层11和外壳之间的缠绕角度为35度至60度，以增加贮箱的抗挤压能力。且碳纤维缠绕外壳15和碳纤维缠绕内层11的碳纤维缠绕角度不相同，以使得贮箱具有更好的张力均衡性。

液氧相容树脂体系碳纤维复合层包括碳纤维和液氧相容树脂体系，碳纤维经过液氧相容树脂体系浸润后，缠绕。

液氧相容树脂体系是液氧相容树脂与固化剂按照预设比例配比后，溶解搅拌均匀形成。液氧相容树脂包括：双酚A环氧树脂、四溴双酚F树脂、催化剂、抗氧剂和助剂；固化剂包括环氧树脂固化剂。

中间层13有金属箔材缠绕形成。中间层13的材料为铝合金、钛合金等金属箔材，箔材厚度为0.05mm～0.5mm。相邻的金属箔材之间涂覆耐低温胶水或胶膜，使获得的具有较高的温度循环和低温剪切力。低温胶采用液氧相容性环氧树脂低温胶或低温胶膜。碳纤维缠绕内层11与中间层13之间通过内层低温胶12粘接，碳纤维缠绕外壳15与中间层13之间通过外层低温胶14粘接。

中间层13与泄压装置密封连接，本实施例中泄压装置为调节阀2，形成用于液氧环境下使用的超低温复合材料贮箱。贮箱端盖上预留的调节阀2，可确保贮箱内部压力始终在安全范围内。

碳纤维缠绕外壳15的厚度为0.5mm至20mm，具体厚度依据容器耐压情况和最大半径决定，与内层碳纤维材料尽可能一致。

中间层13的厚度为0.05mm至0.7mm。中间层13材料可以为铝合金箔材单层结构、层压结构、或缠绕结构，材料可以为与液氧相容性好，耐液氢渗透性的铝合金材料，或铝基复合材料。

碳纤维缠绕内层11的厚度为0.5mm至20mm，具体厚度依据容器耐压情况和最大半径决定，采用液氧相容性环氧树脂体系碳纤维复合材料。

通过对贮箱的结构设置、以及对碳纤维缠绕外壳15、中间层13、碳纤维缠绕内层11的材质和厚度限定，获得的贮箱的面密度不大于10kg/m2，实现超轻的同时，满足贮箱的强度和功能要求。

一种用于制造超轻复合层超低温贮箱的方法，包括以下步骤：

S1:制作碳纤维缠绕内层11，包括碳纤维线缠绕、热处理和表面涂层处理，碳纤维线缠绕包括：将预浸有液氧相容树脂体系的碳纤维线在模具表面缠绕。该步骤中，可将缠绕后的碳纤维线进行固化，然后再进行不住S2；或者直接在缠绕后的碳纤维线外部进行中间层13的制备。

S2:中间层13由金属箔材在碳纤维缠绕内层11外部依次缠绕的方法形成，相邻的中间层13之间采用耐低温胶浸润。优选地，采用铝合金箔材在目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围为-200℃-0℃，优选工况使用温度范围的1/2作为目标循环温度，满足热应力的相互匹配。

S3:制作碳纤维缠绕外壳15，包括采用碳纤维自动铺放缠绕设备在在中间层13外部缠绕预浸有液氧相容树脂体系的碳纤维线、瞬时固化和表面涂层处理。优选地，将预浸有液氧相容树脂体系的碳纤维线在目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围-200℃-0℃，优选工况使用温度范围的1/2作为目标循环温度；获得半成品箱体；

S4:将半成品箱体固化，使得碳纤维缠绕内层11和碳纤维缠绕外壳15紧密地贴合，形成密闭的绝缘层。固化包括采用真空袋包裹半成品箱体、对真空袋抽真空、对包裹有真空袋的半成品箱体加热，加热的温度和时间分别为60-250度和5-20分钟，获得固化后的箱体；

S5：在固化后的箱体的外层涂覆热防护和隔热材料，在固化后的箱体外制得外部隔热层16。

该超轻复合层超低温贮箱1内部贮存一定内压的液氧、液氮、液氢等超低温液体，满足多次循环使用，不仅可以解决纯碳纤维复合材料贮箱的泄漏问题，还解决了由于低温金属收缩产生的中间层13与碳纤维层分离的技术难题。

实施例1

一种超轻复合层超低温贮箱，包括内到外依次设置的碳纤维缠绕内层11、中间层13、碳纤维缠绕外壳15、外部隔热层16，解决了单层内衬热传输的热胀冷缩带来界面应力产生的分离问题。整体梯形截面、球体、端盖等异型贮箱结构可以通过整体缠绕组成，实现贮箱不同区域的耐压、防渗漏作用。

一种超轻复合层超低温贮箱1的制造方法，包括：

1、准备原材料：包括碳纤维、液氧相容性热固性树脂、溶剂和其他材料。

2、将预浸后的碳纤维线绕在制造精度高的缠绕机上，控制缠绕角度和覆盖面积。预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸。

3、通过换向轨迹和大角度偏离的交错缠绕方式，在模具表面形成一层致密的环绕平滑的碳纤维结构。

利用取向技术调整中间不同方向叠层的纤维角度，形成碳纤维缠绕内层11。

4、通过在碳纤维内层表面均匀涂覆低温胶粘接材料，完成铝合金箔材的缠绕，然后再次涂覆低温胶，依次进行，铝合金箔材接头错位铺设，实现更好的密封效果，放入烘干炉中进行固化。

优选地，采用铝合金箔材在目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围-200℃-0℃，优选工况使用温度范围1/2位置的温度作为目标循环温度，满足热应力的相互匹配。

5、采用预浸后的碳纤维线缠绕，获得碳纤维外壳。碳纤维外壳的厚度为0.5mm～2mm，碳纤维材料为T800高强韧碳纤维等，根据耐压情况进行调整碳纤维缠绕外壳15厚度。预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸。采用低温胶浸润，碳纤维线和低温胶的比例适当，使得整体强度满足技术要求。

优选地，采用外壳碳纤维复合材料碳纤维在目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围-200℃-0℃，优选目标循环温度的1/2位置的温度作为目标循环温度，满足热应力的相互匹配。

6、通过高温热固化处理，使树脂基质达到最终硬度和强度，从而确保缠绕成型的产品充分具备物理性能和应用价值。

7、外层涂覆热防护和隔热材料，如隔热瓦、气凝胶等。

本申请的超轻超低温贮箱1内部贮存一定内压的液氧、液氮、液氢等超低温液体，不仅保持低温环境，还可以满足多次循环使用，可以满足新一代飞行器轻量化超低温贮箱1需求。

在另外一个实施例中，一种超轻复合层超低温贮箱1及其制造方法，使用本实施例的为异型复杂截面的结构如图2所示，所制备的低温贮箱1为2圆截面贮箱可以满足轻量化、长时保温隔热、重复使用等特性的需求。

在另外一个实施例中，一种超轻复合层超低温贮箱1及其制造方法，使用本实施例的为异型复杂截面的结构如图3所示，所制备的低温贮箱1为3圆截面贮箱可以满足轻量化、长时保温隔热、重复使用等特性的需求。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：包括从内到外依次设置的碳纤维缠绕内层(11)、中间层(13)、碳纤维缠绕外壳(15)，碳纤维缠绕内层(11)和碳纤维缠绕外壳(15)的材质均为液氧相容树脂体系碳纤维复合层，中间层(13)材质为与液氧或液氢具有相容性的金属。

2.根据权利要求1所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述碳纤维缠绕外壳(15)和碳纤维缠绕内层(11)的碳纤维缠绕角度均为45度至90度。

3.根据权利要求2所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述碳纤维缠绕内层(11)和外壳之间的碳纤维缠绕角度为35度至60度。

4.根据权利要求1所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述碳纤维缠绕外壳(15)和碳纤维缠绕内层(11)的碳纤维缠绕角度不相同。

5.根据权利要求1所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述碳纤维缠绕外壳(15)的厚度为0.5mm至20mm，中间层(13)的厚度为0.05mm至0.7mm，中间层(13)的厚度为0.05mm至0.7mm。

6.根据权利要求1所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述中间层(13)材质为铝合金、或钛合金；中间层(13)与泄压装置密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种超轻复合层超低温贮箱，其特征在于：所述碳纤维缠绕外壳(15)的外部还设置有外部隔热层(16)；外部隔热层(16)的材质为隔热瓦、或气凝胶。

8.一种超轻复合层超低温贮箱的制造方法，其特征在于：包括：

S1:采用预浸后的碳纤维线制作碳纤维缠绕内层(11)，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

S2:在碳纤维缠绕内层(11)外涂覆低温胶，然后进行金属箔材的缠绕，然后再涂覆低温胶，依次进行，在碳纤维缠绕内层(11)外侧制得中间层(13)；

S3:在中间层(13)外部采用预浸后的碳纤维线缠绕，在中间层(13)外制得碳纤维缠绕外壳(15)，获得半成品箱体，预浸后的碳纤维线为经过液氧相容树脂体系预浸，或者为经过液氧相容树脂体系和低温胶预浸；

S4:将半成品箱体固化，获得固化后的箱体；

S5:在固化后的箱体的外层涂覆热防护和隔热材料，获得外部隔热层(16)，获得权利要求1-7任一所述的一种超轻复合层超低温贮箱。

9.根据权利要求8所述的一种超轻复合层超低温贮箱的制造方法，其特征在于：所述步骤S2和S3在，目标循环温度下进行缠绕，工况使用温度范围1/2位置的温度作为目标循环温度。

10.根据权利要求8所述的一种超轻复合层超低温贮箱的制造方法，其特征在于：所述步骤S4中，固化的温度和时间分别为60-250度和5-20分钟。