輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶及其制造方法，包括位于兩端的接管嘴和位于中部的瓶體，瓶體從內(nèi)到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內(nèi)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。該制造方法包括以下步驟：1）橢球體成型；2）砂芯成型；3）金屬內(nèi)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(fā)明采用薄壁金屬材料作為內(nèi)襯，并首創(chuàng)性采用輕量又耐高溫的陶瓷瓦+橡膠的復(fù)合隔熱層，石英纖維多孔骨架結(jié)構(gòu)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(shí)間耐高溫、抗燒蝕的基礎(chǔ)上，隔熱層的重量減輕了70～80%，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，滿足動(dòng)力系統(tǒng)對高總沖及大推力的需求。
【專利說明】輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛行器固體姿控動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備成型技術(shù)，具體地指一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合氣瓶，S卩:固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，是固體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)中在預(yù)定時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)高溫、高壓燃?xì)饬鞯娜萜?，其工作過程需經(jīng)受1000?1300°C高溫、30?50Mpa高壓燃?xì)饬鞯臎_刷，因此，要求氣瓶必須具有高氣密性，耐溫性及耐燒蝕性。現(xiàn)有的高溫高壓氣瓶為了確保其在工作環(huán)境下能安全使用，氣瓶的厚度一般較厚，進(jìn)而使得氣瓶消極重量過大，現(xiàn)有的這種高溫高壓氣瓶不利于滿足動(dòng)力系統(tǒng)對高總沖及大推力的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是要提供一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶及其制造方法，該復(fù)合氣瓶質(zhì)量輕，耐高溫、耐燒蝕性能好，其制造過程工藝條件簡單，操作簡便。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶，包括位于兩端的接管嘴和位于中部的瓶體，所述瓶體從內(nèi)到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內(nèi)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(jié)構(gòu)陶瓷瓦，所述纏繞層為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
[0005]進(jìn)一步地，所述接管嘴從內(nèi)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(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)橢球半體成型:采用拉伸法將金屬薄板拉伸成兩瓣空心橢球半體,然后對橢球半體頂端進(jìn)行激光開孔后備用；
[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(shí)后分別凈尺寸成型砂芯；
[0009]3)金屬內(nèi)襯成型:將金屬接管嘴和過濾網(wǎng)分別與內(nèi)置砂芯的兩瓣橢球半體對應(yīng)在開孔處和焊縫區(qū)進(jìn)行對焊，制得金屬內(nèi)襯；
[0010]4)隔熱層成型:依次將陶瓷瓦隔熱層、接管嘴與金屬內(nèi)襯進(jìn)行裝配，然后在陶瓷瓦隔熱層上逐層貼上橡膠隔熱層，并對其進(jìn)行加壓硫化處理；該陶瓷瓦隔熱層采用石英纖維多孔骨架結(jié)構(gòu)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料至設(shè)定厚度，然后進(jìn)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(jìn)行脫模，并用熱水對砂芯進(jìn)行溶解和清理，烘干后即可得到輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶。
[0013]進(jìn)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；淀粉:0.4?0.6份；7jC:30?50份。[0014]進(jìn)一步地，所述步驟2)中，配制石英砂混粘劑時(shí)，先將聚乙烯醇與淀粉混合形成混合粉末，然后將混合粉末與50?80°C的水混合后攪拌至形成無粘塊溶液，最后將石英砂與無粘塊溶液攪拌混合，壓實(shí)后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(jìn)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(dǎo)熱系數(shù)為 0.02 ?0.05ff/m.K。
[0016]進(jìn)一步地，所述步驟4)中，橡膠隔熱層厚度為0.5?1mm，其采用三元乙丙橡膠，硫化處理?xiàng)l件為:95?100°C保溫I?3h，成型壓力為0.4?0.6MPa。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟5)中，纏繞層采用環(huán)線纏繞與縱向纏繞交替的方式進(jìn)行成型，繞張力為8?20N/股，纏繞15?20層，至筒段厚度為3.75?5mm，并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(jìn)一步地，所述步驟I)中，橢球半體成型采用不銹鋼板、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(jìn)一步地，所述步驟3)中，所述過濾網(wǎng)采用不銹鋼絲網(wǎng)，目數(shù)為500?1000目，厚度為0.5?2_。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]其一，本發(fā)明氣瓶為多層結(jié)構(gòu)，其采用薄壁金屬材料作為內(nèi)襯，并首創(chuàng)性采用輕量而又耐高溫的陶瓷瓦+橡膠的復(fù)合隔熱層，以石英纖維多孔骨架結(jié)構(gòu)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(shí)間耐高溫、抗燒蝕的基礎(chǔ)上，其相對于傳統(tǒng)的硅橡膠隔熱材料，在隔熱效果與氣密性相當(dāng)?shù)那闆r下，隔熱層的重量減輕了 70?80%，降低了冗余重量，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，滿足動(dòng)力系統(tǒng)對高總沖及大推力的需求。
[0022]其二，本發(fā)明方法采用砂芯作為焊接骨架，其自身具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可以有效避免焊接過程中金屬內(nèi)襯變形導(dǎo)致的尺寸偏差，同時(shí)，固化完成后用常溫自來水即可使金屬內(nèi)襯中的砂芯溶解，從而實(shí)現(xiàn)順利脫模，大大減小了脫模的難度，并且砂芯成型過程工藝簡單、生產(chǎn)周期短、成本低廉。
[0023]其三，為滿足高溫高壓復(fù)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(qiáng)度等需求，復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)置為多層結(jié)構(gòu)，充分結(jié)合了陶瓷瓦耐高溫、隔熱、抗燒蝕，硅橡膠密封、碳纖維纏繞層自身強(qiáng)度高、耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，各層功能材料的性能得到了充分發(fā)揮，在滿足耐溫性、抗燒蝕，及耐壓性的前提下實(shí)現(xiàn)了氣瓶輕量化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為圖1中金屬內(nèi)襯的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，便于更清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。
[0027]圖1所示的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶，包括位于兩端的接管嘴I和位于中部的瓶體2，瓶體2從內(nèi)到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內(nèi)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(jié)構(gòu)陶瓷瓦，纏繞層2-4為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；接管嘴I從內(nèi)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(nèi)襯2-1為將耐燒蝕金屬層1-1和過濾網(wǎng)3分別與內(nèi)置砂芯6的兩瓣橢球半體對應(yīng)在開孔處4和焊縫區(qū)5進(jìn)行對焊而成(如圖2所示)。以下實(shí)施例為本發(fā)明氣瓶及其制造方法的具體應(yīng)用:
[0028]實(shí)施例1
[0029]將輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶用于某熱噴姿控系統(tǒng)時(shí)，其氣瓶尺寸及性能要求如下表1:
[0030]表1
【權(quán)利要求】
1.一種輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶,包括位于兩端的接管嘴(I)和位于中部的瓶體(2)，其特征在于:所述瓶體(2)從內(nèi)到外依次包括耐燒蝕薄壁金屬內(nèi)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(jié)構(gòu)陶瓷瓦，所述纏繞層(2-4)為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶，其特征在于:所述接管嘴(I)從內(nèi)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(quán)利要求1所述輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，包括以下步驟: 1)橢球半體成型:采用拉伸法將金屬薄板拉伸成兩瓣空心橢球半體，然后對橢球半體頂端進(jìn)行激光開孔后備用； 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(shí)后分別凈尺寸成型砂-1-H心; 3)金屬內(nèi)襯成型:將金屬接管嘴和過濾網(wǎng)分別與內(nèi)置砂芯的兩瓣橢球半體對應(yīng)在開孔處和焊縫區(qū)進(jìn)行對焊，制得金屬內(nèi)襯； 4)隔熱層成型:依次將陶瓷瓦隔熱層、接管嘴與金屬內(nèi)襯進(jìn)行裝配，然后在陶瓷瓦隔熱層上逐層貼上橡膠隔熱層，并對其進(jìn)行加壓硫化處理；該陶瓷瓦隔熱層采用石英纖維多孔骨架結(jié)構(gòu)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料至設(shè)定厚度，然后進(jìn)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(jìn)行脫模，并用熱水對砂芯進(jìn)行溶解和清理，烘干后即可得到輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于: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；淀粉:0.4~0.6份；7jC:30~50份。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于:所述步驟2)中，配制石英砂混粘劑時(shí)，先將聚乙烯醇與淀粉混合形成混合粉末，然后將混合粉末與50~80°C的水混合后攪拌至形成無粘塊溶液，最后將石英砂與無粘塊溶液攪拌混合，壓實(shí)后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(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于: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(dǎo)熱系數(shù)為0.02 ~0.05ff/m.K。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于:所述步驟4)中，橡膠隔熱層厚度為0.5~1mm，其采用三元乙丙橡膠，硫化處理?xiàng)l件為:95~100°C保溫I~3h，成型壓力為0.4~0.6MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于:所述步驟5)中，纏繞層采用環(huán)線纏繞與縱向纏繞交替的方式進(jìn)行成型，繞張力為8~20N/股，纏繞15~20層，至筒段厚度為3.75~5mm，并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(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于:所述步驟I)中，橢球半體成型采用不銹鋼板、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(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的輕質(zhì)化高溫高壓復(fù)合氣瓶的制造方法，其特征在于:所述步驟3)中 ，過濾網(wǎng)采用不銹鋼絲網(wǎng)，目數(shù)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(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】張國喜, 鄧德鳳, 黃澤勇, 譚云水, 霍文靜, 魏虹 申請人:湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司