[发明专利]一种聚酰亚胺复合材料气瓶及其制备方法

说明书

本发明提出一种聚酰亚胺复合材料气瓶及其制备方法，由金属内胆和复合材料外壳组成，所述的复合材料外壳由缓冲层和缠绕层构成，所述的缓冲层为聚酰亚胺胶膜，所述的缠绕层为浸渍了聚酰亚胺树脂的纤维束，缓冲层粘贴在金属内胆外表面，缠绕层在缓冲层外层以H‑Z‑H‑Z‑…‑H‑Z‑H的顺序交替缠绕，其中H为环向缠绕，Z为螺旋缠绕，缓冲层和缠绕层共固化得到复合材料外壳。本发明在金属内胆与聚酰亚胺缠绕层之间引入聚酰亚胺胶膜缓冲层，基于粘结及热应力缓冲双功能设计，一方面使胶膜能够在高固化温度下实现原位发泡，另一方面胶膜高韧性能够实现复合材料及金属结构的良好粘结，提高剥离强度，同时能够避免电位腐蚀，增强树脂高温固化及冷却过程中金属内胆与复合材料之间的热应力匹配性。

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺复合材料气瓶及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的飞速发展，导弹及飞行器正朝着高速、远程和结构功能一体化的方向发展，导弹及飞行器飞行速度可达Ma3～4，部分甚至突破了Ma6，远程高速造成了严重的气动加热问题，使得弹体结构面临着越来越苛刻的工作环境，高温环境也限制了很多亚声速常用的弹体结构材料如铝合金、环氧类复合材料的运用，为进一步适应飞机大载弹量和导弹长射程的多重需求，弹体结构需要进一步的减重。

高压气瓶是用于一次性贮存压缩氮气的容器，主要作用是在导弹飞行过程中给油箱增压，是航天器的危险性关键部件，内部贮存有很高的能量，早期高压气瓶主要为金属结构。随着航空航天技术的飞速发展，飞行器的射程要求越来越远，为了有效降低结构占比，复合材料气瓶逐渐替代金属气瓶。复合材料气瓶由于具有较高的结构效率，已发展成为航空航天结构动力系统的关键组成部件之一，复合材料气瓶具有较高的可靠性，负载工作寿命长，爆破前先泄漏和无高能量冲击碎片的枪击失效模式逐渐替代金属材料。

目前高压气瓶以含金属内衬全缠绕复合材料气瓶为主，其结构形式主要有两种，一种是金属内衬+复合材料缠绕层+外防护层，该类复合材料缠绕层主要采用环氧树脂体系，外层采用防热层包覆，环氧树脂缠绕层主要起承载作用，外防热层作用为阻隔或减少热源向内部传输，这种结构往往外防热层厚度较厚，重量较大，结构效率较低，且防热层主要起到防热作用，没有承载作用，同时气瓶封头位置为异型面，防热层包覆工艺难度较大。另一种结构形式为金属内衬+界面缓冲层+复合材料缠绕层，界面缓冲层为隔热层或粘接剂，其中复合材料缠绕层主要为环氧树脂体系，界面缓冲层主要采用橡胶或环氧胶黏剂，环氧树脂体系的不能满足耐温要求。

目前高压复合材料气瓶采用的树脂体系主要为环氧类，随着飞行器飞行速度越来越快，内部温度越来越高，要求飞行器构件的结构效率越来越高，受飞行器气动外形包络线的限制，高压气瓶越来越要求提高结构效率，即在同样外界温度环境下，要求复合材料缠绕层自身具有耐高温、高承载特性，同时在有限的空间中尽可能减小气瓶缠绕层厚度，而环氧类复合材料已无法满足高温承载的需求。

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，其耐热温度最高可达600℃以上，长期使用温度范围在200～500℃，目前聚酰亚胺复合材料是国际上通用的耐高温、高承载结构的主体材料。将其使用于复合材料气瓶是一条解决现有材料高温承载能力弱的思路，但是在研究过程中发现，由于聚酰亚胺固化温度较高，金属内胆与复合材料热膨胀不一致现象明显，同时其固化工艺控制难度较大，在反应过程中需要经过溶剂挥发、酰胺化、亚胺化、交联固化等多个阶段，整个工艺过程比较复杂，需要控制的工艺参数较多。另外耐高温聚酰亚胺树脂只能适合溶液法缠绕工艺，聚酰亚胺树脂中含有溶剂，在缠绕后需对溶剂进行去除，而去除溶剂后，纤维会发生收缩，固化后发生纤维屈曲，降低气瓶的爆破压力，影响承载强度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种轻量化、工艺简单、耐高温高压的聚酰亚胺复合材料气瓶及其制备方法。