[发明专利]一种100升碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶及其制造方法

说明书

本发明的一种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，该复合材料气瓶容积大、耐高压、效率高、质量轻、安全性高、成本低、制造周期短，同时本发明还提出了该碳纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶的制造方法。

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容