[发明专利]薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄壁金属内衬复合材料气瓶，具体涉及一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法。

背景技术

高压气瓶的空间应用非常广泛，如空间推进系统各种气瓶、空间站环控和生命支撑系统压力容器等。复合材料气瓶的质量仅为钛合金的40％左右，且具有破裂前先泄漏(LBB)的疲劳失效模式，可增大有效载荷比、降低发射成本费用。目前，国外卫星、运载火箭和导弹等航天系统传统钛合金高压气瓶已逐渐被复合材料缠绕高压气瓶取代。复合材料气瓶相比传统全金属气瓶具有质量轻、抗爆、可监控、结构设计灵活等特点。其常用缠绕层材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP)，具有密度小、高比强度、高比模量、热膨胀系数小等特性。

迄今为止，复合材料压力容器已发展成为航空航天结构动力系统的关键组成部件之一，无论从结构重量还是从占据的几何空间上看，都占有极高的比例，而其减重是制约着新一代发动机系统的研制和发展的瓶颈。如何设计和制造出轻量化的复合材料压力容器，最大化地减轻系统的重量，是航空航天动力系统设计者和复合材料研究人员追求的永恒目标。世界发达国家无不将发展航空航天动力系统用轻量化复合材料压力容器作为国家重点科研课题之一，如美国NASA提出的新航空研究计划(New Aeronautics Research Program)、2030年前的太空探索规划(3rd space exploration conference&exhibit)、欧洲木星探索计划等，均将发展轻量化复合材料压力容器技术列为太空探索的关键技术之一，并对这些技术实行严密的封锁。

新一代航天动力系统使用的复合材料气瓶要求重量轻，需实现较高的气瓶容重比。NASA研究机构的相关资料表明，在相同的工作压力下，采用薄壁金属内衬对复合材料气瓶的减重最为显著。但是，在薄壁气瓶的缠绕过程中，易发生径向失稳现象。失稳是外压容器主要的失效形式之一，特点是失稳发生状态下容器应力水平往往小于材料强度(刚性筒除外)。考虑到缠绕过程中，纤维张力引起的预紧力可以等效为外压，由此可能导致薄壁内衬在缠绕过程中发生失稳情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种避免薄壁金属内衬失稳的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，所述方法包括如下步骤：

A、将薄壁金属内衬充气至压力P_c(不高于内衬液压实验值)后进行密封处理，所述充气压力P_c保证薄壁金属内衬在充气状态下仍然停留在弹性区；

B、用与树脂胶液混合后的纤维以螺旋和环向的形式在薄壁金属内衬表面进行湿法缠绕，缠绕至预设层数，此时薄壁金属内衬表面被完全包覆；

C、对完成步骤B缠绕的气瓶进行固化；

D、将固化后的气瓶继续充气至充气压力P_cn后，重复步骤B、C；其中，一次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c1，二次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c2，依次类推；

E、重复步骤D，直至完成气瓶的n次充气与n次缠绕、固化，即可。

优选地，所述充气压力P_c的确定具体为：根据金属内衬的基础数据，对气瓶的爆破压力P_h和水压试验压力P_s进行校核，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定薄壁内衬充气压力P_c。

优选地，所述树脂胶液为中低温热固性环氧树脂胶液，其最高固化温度低于或等于120℃。

优选地，所述纤维为碳纤维、PBO纤维或芳纶纤维。

优选地，所述缠绕的线型包括简体部分环向缠绕和椭圆曲面尾部、肩部及简体部分的螺旋缠绕。所述缠绕层的铺层顺序遵循纤维缠绕网格理论，同时满足设计指标要求。

优选地，第一次固化时，将完成步骤B缠绕的气瓶进行充补气至P_c后进行固化。

优选地，所述固化具体为：室温升温30分钟至100℃，保温1小时；100℃升温20分钟至120℃，保温2小时；120℃升温20分钟至140℃，保温2小时；降温至60℃，自然冷却至室温，即可。