一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶及其制造方法
【专利说明】
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技术领域
[0002] 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。
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【背景技术】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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〇
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【发明内容】
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] -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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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°C /min的升温速度升高到40±3°C，保温2小时； 2) 以0. 6±0. 1°C /min的升温速度升高到80±5°C，保温2小时； 3) 以0. 6±0. 1°C /min的升温速度升高到120±5°C，保温2小时； 4) 以0. 6±0. 1°C /min的升温速度升高到140±5°C，保温3小时； 5) 以不超过：TC /min的速度使气瓶冷却到室温，实现固化。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
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【附图说明】
[0023] 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。
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【具体实施方式】
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 所述无焊缝错内衬1的圆柱段13的外径D为326mm、长度Ll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Φ8πιπι，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Tl为I. 3mm~I. 6mm，椭球封头12和椭球封底14的壁厚 T2不小于2. 5_，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 I. 3mm~2