輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法
2023-05-28 09:36:46 2
輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法，包括位於兩端的接管嘴和位於中部的瓶體，瓶體從內到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內襯，陶瓷瓦隔熱層，橡膠隔熱層，及纏繞層，纏繞層為碳纖維增強樹脂基複合材料。該製造方法包括以下步驟：1）橢球體成型；2）砂芯成型；3）金屬內襯成型；4）隔熱層成型；5）纏繞層成型；6）脫模及砂芯溶解。本發明採用薄壁金屬材料作為內襯，並首創性採用輕量又耐高溫的陶瓷瓦+橡膠的複合隔熱層，石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦作為主隔熱材料，外輔一層橡膠作為氣密層，在保障長時間耐高溫、抗燒蝕的基礎上，隔熱層的重量減輕了70～80%，大幅提高了發動機工作效率，滿足動力系統對高總衝及大推力的需求。
【專利說明】輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛行器固體姿控動力系統設備成型技術，具體地指一種輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法。
【背景技術】
[0002]複合氣瓶，S卩:固體發動機殼體，是固體姿軌控動力系統中在預定時間內存儲高溫、高壓燃氣流的容器，其工作過程需經受1000?1300°C高溫、30?50Mpa高壓燃氣流的衝刷，因此，要求氣瓶必須具有高氣密性，耐溫性及耐燒蝕性。現有的高溫高壓氣瓶為了確保其在工作環境下能安全使用，氣瓶的厚度一般較厚，進而使得氣瓶消極重量過大，現有的這種高溫高壓氣瓶不利於滿足動力系統對高總衝及大推力的需求。
【發明內容】
[0003]本發明的目的就是要提供一種輕質化高溫高壓複合氣瓶及其製造方法，該複合氣瓶質量輕，耐高溫、耐燒蝕性能好，其製造過程工藝條件簡單，操作簡便。
[0004]為實現上述目的，本發明採用的技術方案是:一種輕質化高溫高壓複合氣瓶，包括位於兩端的接管嘴和位於中部的瓶體，所述瓶體從內到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內襯，陶瓷瓦隔熱層，橡膠隔熱層，及纏繞層；所述陶瓷瓦隔熱層為石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦，所述纏繞層為碳纖維增強樹脂基複合材料。
[0005]進一步地，所述接管嘴從內到外依次包括耐燒蝕金屬層，三元乙丙橡膠層，及接嘴
管金屬件。
[0006]一種上述輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，包括以下步驟:
[0007]I)橢球半體成型:採用拉伸法將金屬薄板拉伸成兩瓣空心橢球半體,然後對橢球半體頂端進行雷射開孔後備用；
[0008]2)砂芯成型:將石英砂混粘劑填充到上述兩瓣橢球半體中，壓實後分別淨尺寸成型砂芯；
[0009]3)金屬內襯成型:將金屬接管嘴和過濾網分別與內置砂芯的兩瓣橢球半體對應在開孔處和焊縫區進行對焊，製得金屬內襯；
[0010]4)隔熱層成型:依次將陶瓷瓦隔熱層、接管嘴與金屬內襯進行裝配，然後在陶瓷瓦隔熱層上逐層貼上橡膠隔熱層，並對其進行加壓硫化處理；該陶瓷瓦隔熱層採用石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦；
[0011]5)纏繞層成型:在陶瓷瓦隔熱層的外層纏繞碳纖維增強樹脂基複合材料至設定厚度，然後進行固化處理；
[0012]6)脫模及砂芯溶解:將完成固化處理的氣瓶在室溫下進行脫模，並用熱水對砂芯進行溶解和清理，烘乾後即可得到輕質化高溫高壓複合氣瓶。
[0013]進一步地，所述步驟2)中，所述石英砂混粘劑的組分及重量配比如下:石英砂:350?450份；聚乙烯醇:9?10份；澱粉:0.4?0.6份；7jC:30?50份。[0014]進一步地，所述步驟2)中，配製石英砂混粘劑時，先將聚乙烯醇與澱粉混合形成混合粉末，然後將混合粉末與50?80°C的水混合後攪拌至形成無粘塊溶液，最後將石英砂與無粘塊溶液攪拌混合，壓實後依次按如下固化條件固化成型:55?65°C保溫1.5?2.5h,升溫至75?85°C保溫2.5?3.5h，升溫至115?125°C保溫3.5?4.5h。
[0015]進一步地,所述步驟4)中，所述陶瓷瓦隔熱層厚度為12?18mm,密度為0.1?
0.5g/cm3,導熱係數為 0.02 ?0.05ff/m.K。
[0016]進一步地，所述步驟4)中，橡膠隔熱層厚度為0.5?1mm，其採用三元乙丙橡膠，硫化處理條件為:95?100°C保溫I?3h，成型壓力為0.4?0.6MPa。
[0017]進一步地，所述步驟5)中，纏繞層採用環線纏繞與縱向纏繞交替的方式進行成型，繞張力為8?20N/股，纏繞15?20層，至筒段厚度為3.75?5mm，並依次按如下固化條件固化成型:85?95°C保溫I?4h，升溫至115?125°C保溫I?5h，升溫至145?155°C保溫I?6h。
[0018]進一步地，所述步驟I)中，橢球半體成型採用不鏽鋼板、鈦合金板，或高溫合金板，且橢球半體厚度為0.3?0.5mm。
[0019]更進一步地，所述步驟3)中，所述過濾網採用不鏽鋼絲網，目數為500?1000目，厚度為0.5?2_。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0021]其一，本發明氣瓶為多層結構，其採用薄壁金屬材料作為內襯，並首創性採用輕量而又耐高溫的陶瓷瓦+橡膠的複合隔熱層，以石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦作為主隔熱材料，外輔一層橡膠作為氣密層，在保障長時間耐高溫、抗燒蝕的基礎上，其相對於傳統的矽橡膠隔熱材料，在隔熱效果與氣密性相當的情況下，隔熱層的重量減輕了 70?80%，降低了冗餘重量，大幅提高了發動機工作效率，滿足動力系統對高總衝及大推力的需求。
[0022]其二，本發明方法採用砂芯作為焊接骨架，其自身具有相當的強度，可以有效避免焊接過程中金屬內襯變形導致的尺寸偏差，同時，固化完成後用常溫自來水即可使金屬內襯中的砂芯溶解，從而實現順利脫模，大大減小了脫模的難度，並且砂芯成型過程工藝簡單、生產周期短、成本低廉。
[0023]其三，為滿足高溫高壓複合氣瓶使用過程中的耐高溫、耐高壓、抗燒蝕、隔熱、密封以及強度等需求，複合材料氣瓶結構設置為多層結構，充分結合了陶瓷瓦耐高溫、隔熱、抗燒蝕，矽橡膠密封、碳纖維纏繞層自身強度高、耐高壓的優點，各層功能材料的性能得到了充分發揮，在滿足耐溫性、抗燒蝕，及耐壓性的前提下實現了氣瓶輕量化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為一種輕質化高溫高壓複合氣瓶的剖視結構示意圖。
[0025]圖2為圖1中金屬內襯的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明，便於更清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。
[0027]圖1所示的輕質化高溫高壓複合氣瓶，包括位於兩端的接管嘴I和位於中部的瓶體2，瓶體2從內到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內襯2-1，陶瓷瓦隔熱層2-2，橡膠隔熱層
2-3，及纏繞層2-4，陶瓷瓦隔熱層(2-2)為石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦，纏繞層2-4為碳纖維增強樹脂基複合材料；接管嘴I從內到外依次包括耐燒蝕金屬層1-1，三元乙丙橡膠層1-2，及接嘴管金屬件1-3。其中，金屬內襯2-1為將耐燒蝕金屬層1-1和過濾網3分別與內置砂芯6的兩瓣橢球半體對應在開孔處4和焊縫區5進行對焊而成(如圖2所示)。以下實施例為本發明氣瓶及其製造方法的具體應用:
[0028]實施例1
[0029]將輕質化高溫高壓複合氣瓶用於某熱噴姿控系統時，其氣瓶尺寸及性能要求如下表1:
[0030]表1
【權利要求】
1.一種輕質化高溫高壓複合氣瓶,包括位於兩端的接管嘴(I)和位於中部的瓶體(2)，其特徵在於:所述瓶體(2)從內到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內襯(2-1)，陶瓷瓦隔熱層(2-2)，橡膠隔熱層(2-3)，及纏繞層(2-4);所述陶瓷瓦隔熱層(2-2)為石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦，所述纏繞層(2-4)為碳纖維增強樹脂基複合材料。
2.根據權利要求1所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶，其特徵在於:所述接管嘴(I)從內到外依次包括耐燒蝕金屬層(1-1 )，三元乙丙橡膠層(1-2)，及接嘴管金屬件(1-3)。
3.—種權利要求1所述輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，包括以下步驟: 1)橢球半體成型:採用拉伸法將金屬薄板拉伸成兩瓣空心橢球半體，然後對橢球半體頂端進行雷射開孔後備用； 2)砂芯成型:將石英砂混粘劑填充到上述兩瓣橢球半體中，壓實後分別淨尺寸成型砂-1-H心; 3)金屬內襯成型:將金屬接管嘴和過濾網分別與內置砂芯的兩瓣橢球半體對應在開孔處和焊縫區進行對焊，製得金屬內襯； 4)隔熱層成型:依次將陶瓷瓦隔熱層、接管嘴與金屬內襯進行裝配，然後在陶瓷瓦隔熱層上逐層貼上橡膠隔熱層，並對其進行加壓硫化處理；該陶瓷瓦隔熱層採用石英纖維多孔骨架結構陶瓷瓦； 5)纏繞層成型:在陶瓷瓦隔熱層的外層纏繞碳纖維增強樹脂基複合材料至設定厚度，然後進行固化處理； 6)脫模及砂芯溶解:將完成固化處理的氣`瓶在室溫下進行脫模，並用熱水對砂芯進行溶解和清理，烘乾後即可得到輕質化高溫高壓複合氣瓶。
4.根據權利要求3所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟2)中，石英砂混粘劑的組分及重量配比如下:石英砂:350~450份；聚乙烯醇:9~10份；澱粉:0.4~0.6份；7jC:30~50份。
5.根據權利要求4所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟2)中，配製石英砂混粘劑時，先將聚乙烯醇與澱粉混合形成混合粉末，然後將混合粉末與50~80°C的水混合後攪拌至形成無粘塊溶液，最後將石英砂與無粘塊溶液攪拌混合，壓實後依次按如下固化條件固化成型:55~65°C保溫1.5~2.5h，升溫至75~85°C保溫2.5~3.5h，升溫至115~125°C保溫3.5~4.5h。
6.根據權利要求3或4或5所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟4)中，陶瓷瓦隔熱層厚度為12~18mm,密度為0.1~0.5g/cm3,導熱係數為0.02 ~0.05ff/m.K。
7.根據權利要求3或4或5所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟4)中，橡膠隔熱層厚度為0.5~1mm，其採用三元乙丙橡膠，硫化處理條件為:95~100°C保溫I~3h，成型壓力為0.4~0.6MPa。
8.根據權利要求3或4或5所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟5)中，纏繞層採用環線纏繞與縱向纏繞交替的方式進行成型，繞張力為8~20N/股，纏繞15~20層，至筒段厚度為3.75~5mm，並依次按如下固化條件固化成型:85~95°C保溫I~4h，升溫至115~125°C保溫I~5h，升溫至145~155°C保溫I~6h。
9.根據權利要求3或4或5所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟I)中，橢球半體成型採用不鏽鋼板、鈦合金板，或高溫合金板，且橢球半體厚度為·0.3 ~0.5mm。
10.根據權利要求3或4或5所述的輕質化高溫高壓複合氣瓶的製造方法，其特徵在於:所述步驟3)中 ，過濾網採用不鏽鋼絲網，目數為500~1000目，厚度為0.5~2mm。
【文檔編號】F17C1/12GK103883871SQ201410102505
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】張國喜, 鄧德鳳, 黃澤勇, 譚雲水, 霍文靜, 魏虹 申請人:湖北三江航天江北機械工程有限公司