高温高压绝热复合气瓶及其制造方法

摘要

本发明公开了一种高温高压复合气瓶及其制备方法。该高温高压复合气瓶，包括位于两端的接管嘴和位于中部的瓶体，所述瓶体从内到外依次由瓶体耐烧蚀层、瓶体隔热层和瓶体增强层构成；所述接嘴管从内到外依次由接嘴管耐烧蚀层、接嘴管隔热层和接嘴管金属件构成。其制造方法依次包括以下步骤：设计气瓶瓶体和接管嘴、制作接管嘴、制作气瓶木芯模、制作瓶体耐烧蚀层、在瓶体耐烧蚀层两端各粘接一个接管嘴后固化成型、制作瓶体隔热层、制作瓶体增强层，从而完成复合气瓶的制造。实践证明，该复合气瓶能耐长时间高温、耐高压而且质轻，其制备方法工艺条件简单，操作简便。

权利要求

1.一种高温高压绝热复合气瓶，包括位于两端的接嘴管（1）和位于中部的瓶体（2），其特征在于：所述瓶体（2）从内到外依次由瓶体耐烧蚀层（3）、瓶体隔热层（4）和瓶体增强层（5）构成；所述接嘴管（1）从内到外依次由接嘴管耐烧蚀层（6）、接嘴管隔热层（7）和接嘴管金属件（8）构成；其制造方法，依次包括以下步骤：

1）根据复合气瓶工作温度、工作压强、重量和容积的要求，计算出瓶体（2）的瓶体耐烧蚀层（3）、瓶体隔热层（4）、瓶体增强层（5）的结构和厚度参数，以及计算出与所述瓶体（2）相适配的接嘴管（1）的接嘴管耐烧蚀层（6）、接嘴管隔热层（7）、接嘴管金属件（8）的结构和尺寸参数；

2）按照计算确定的要求制作接嘴管（1）的各组成部件：包括构成接嘴管耐烧蚀层（6）的预成型体、构成接嘴管隔热层（7）的裁剪胶片、以及加工好的接嘴管金属件（8），并按照从内向外依次布置的顺序将其整体加压硫化成型；

3）按照计算确定的要求制作与瓶体（2）内衬相适应的木芯模；

4）用无机耐高温胶粘剂浸润碳布制成碳布预浸料，将所述碳布预浸料包覆在木芯模上至设计的厚度，再在碳布预浸料外面包裹脱模布后缠绕纤维加压，然后放入烘箱中固化成型，出炉后，去除纤维和脱模布，机加工脱掉木芯模，形成瓶体耐烧蚀层（3）；

5）在瓶体耐烧蚀层（3）两端各粘接一个接嘴管（1），固化成型；

6）在瓶体耐烧蚀层（3）外部粘贴隔热胶片至设计的厚度，并在隔热胶片外缠绕纤维加压，然后放入烘箱中预硫化处理，出炉后清除外表面纤维，形成瓶体隔热层（4）；

7）在瓶体隔热层（4）外缠绕碳纤维增强树脂基复合材料至设计的厚度，然后置于烘箱中进行共固化处理，形成瓶体增强层（5），从而完成复合气瓶的制造。

2.根据权利要求1所述高温高压绝热复合气瓶，其特征在于：所述步骤4）中，固化成型的条件依次为15～25℃保温1.5～2.5h，升温至35～45℃保温1.5～2.5h，升温至55～

65℃保温1.5～2.5h，升温至75～85℃保温1.5～2.5h，升温至90～95℃保温1.5～

2.5h，升温至110～130℃保温1.5～2.5h，升温至140～160℃保温1.5～2.5h，最后升温至170～190℃保温5～7h。

3.根据权利要求2所述高温高压绝热复合气瓶，其特征在于：所述步骤6）中，隔热胶片采用三元乙丙。

4.根据权利要求2或3所述高温高压绝热复合气瓶，其特征在于：所述步骤6）中，预硫化处理的条件为100℃保温1h。

5.根据权利要求2或3所述高温高压绝热复合气瓶，其特征在于：所述步骤4）和步骤

6）中，缠绕纤维加压的压力为15～18N/股。

6.根据权利要求2或3所述高温高压复合绝热气瓶，其特征在于：所述步骤7）中，共固化处理的条件为：95℃保持3h，接着升温至125℃保持2h，然后升温至150℃保持6h。

7.根据权利要求2或3所述高温高压绝热复合气瓶，其特征在于：所述步骤2）中，接嘴管耐烧蚀层（6）采用碳纤维增强酚醛丁腈树脂。

说明书

高温高压绝热复合气瓶及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于飞行器固体姿控动力系统设备技术领域，具体指一种高温高压绝热复合气瓶及其制造方法。

背景技术

[0002] 固体姿控动力系统用于飞行器的轨道转移、末速修正、姿态控制，主要有冷气系统、单/双组元液体系统以及固体姿控动力系统等。其中固体姿控系统是采用固体燃料为能源，当需要使用时，将高能固体燃料通过电点火器引燃，产生高温高压气体，作为能源进行姿态控制。一旦姿态需要修正，高温燃气可经电磁阀控制其通、断，从喷管排放，产生所需的推力。

[0003] 复合气瓶是固体姿控动力系统中在预定时间内存储高温、高压燃气的内压装置，由位于两端起连接作用的接管嘴与位于中间的瓶体构成。针对需要高总冲、大推力的飞行器，复合气瓶在承高压的同时还需解决长时间隔热难题，因此气瓶不仅是固体姿控动力系统的关键部件，同时也是技术难点之一。

[0004] 复合气瓶作为内压容器，其接管嘴结构、增强层缠绕厚度参照QJ 2284-92《固体火箭发动机燃烧室壳体强度计算方法》进行计算，耐烧蚀层和增强层厚度则根据加载温度采用有限元分析计算得出。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种高温高压复合气瓶及其制备方法，该复合气瓶能耐长时间高温、耐高压而且质轻，其制备方法工艺条件简单，操作简便。

[0006] 为实现上述目的，本发明的高温高压复合气瓶，包括位于两端的接管嘴和位于中部的瓶体，其特殊之处在于：所述瓶体从内到外依次由瓶体耐烧蚀层、瓶体隔热层和瓶体增强层构成；所述接嘴管从内到外依次由接嘴管耐烧蚀层、接嘴管隔热层和接嘴管金属件构成。

[0007] 本发明的高温高压绝热复合气瓶的制造方法，其特殊之处在于：它依次包括以下步骤：

[0008] 1）根据复合气瓶工作温度、工作压强、重量和容积的要求，计算出瓶体的瓶体耐烧蚀层、瓶体隔热层、瓶体增强层的结构和厚度参数，以及计算出与所述瓶体相适配的接管嘴的接嘴管耐烧蚀层、接嘴管隔热层、接嘴管金属件的结构和尺寸参数；

[0009] 2）按照计算确定的要求制作接管嘴的各组成部件：包括构成接嘴管耐烧蚀层的预成型体、构成接管嘴隔热层的裁剪胶片、以及加工好的接管嘴金属件，并按照从内向外依次布置的顺序将其整体加压硫化成型；

[0010] 3）按照计算确定的要求制作与瓶体内衬相适应的木芯模；

[0011] 4）用无机耐高温胶粘剂浸润碳布制成碳布预浸料，将所述碳布预浸料包覆在木芯模上至设计的厚度，再在碳布预浸料外面包裹脱模布后缠绕纤维加压，然后放入烘箱中固化成型，出炉后，去除纤维和脱模布，机加工脱掉木芯模，形成瓶体耐烧蚀层；

[0012] 5）在瓶体耐烧蚀层两端各粘接一个接管嘴，固化成型；

[0013] 6）在瓶体耐烧蚀层外部粘贴隔热胶片至设计的厚度，并在隔热胶片外缠绕纤维加压，然后放入烘箱中预硫化处理，出炉后清除外表面纤维，形成瓶体隔热层；

[0014] 7）在瓶体隔热层外缠绕碳纤维增强树脂基复合材料至设计的厚度，然后置于烘箱中进行共固化处理，形成瓶体增强层，从而完成复合气瓶的制造。

[0015] 优选地，所述步骤4）中，固化成型的条件依次为15~25℃保温1.5~2.5h，升温至35~45℃保温1.5~2.5h，升温至55~65℃保温1.5~2.5h，升温至75~85℃保温1.5~2.5h，升温至90~95℃保温1.5~2.5h，升温至110~130℃保温1.5~2.5h，升温至140~160℃保温
1.5~2.5h，最后升温至170~190℃保温5~7h。

[0016] 进一步地，所述步骤6）中，隔热胶片采用三元乙丙。

[0017] 再进一步地，所述步骤6）中，预硫化处理的条件为100℃保温1h。

[0018] 还进一步地，所述步骤4）和步骤6）中，缠绕纤维加压的压力为15~18N/股。

[0019] 更进一步地，所述步骤7）中，共固化处理的条件为：95℃保持3h，接着升温至125℃保持2h，然后升温至150℃保持6h。

[0020] 又进一步地，所述步骤3）中，接管嘴耐烧蚀层（6）采用碳纤维增强酚醛丁腈树脂[0021] 本发明通过将气瓶设置为多层复合结构，实现耐高温、耐高压、抗烧蚀、隔热、密封以及强度等要求，通过优化多层复合结构设计和成型工艺过程，满足气瓶高温、高压、长时间的工作需要。本发明工艺简单、成本低廉、质量轻并且可以直接成型

附图说明

[0022] 图1是一种高温高压绝热复合气瓶的剖视结构示意图。

[0023] 图2是图1中接嘴管的放大结构示意图。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 图1和图2所示的一种高温高压绝热复合气瓶，由位于两端的接管嘴1和位于中部的瓶体2构成，接管嘴1与瓶体2固定连接，瓶体2从内到外依次包括耐烧蚀层3、隔热层4、增强层5，接嘴管1从内到外依次包括接嘴管耐烧蚀层6、接嘴管隔热层7、接嘴管金属件
8构成。

[0027] 该高温高压绝热复合气瓶用于某固体姿控动力系统，其工作温度、工作压强、重量和气瓶容积的要求见表1：

[0028] 表1

[0029]气瓶容积 ≥40L
最高工作压强 15MPa
工作温度 ≤1200℃
工作时间 400s
重量 ≤20kg

[0030] 该高温高压绝热复合气瓶的制备方法包括以下步骤：

[0031] 1）根据复合气瓶工作温度、工作压强、重量和气瓶容积的要求，应用Hypermesh软件通过有限元分析，计算出瓶体2的瓶体耐烧蚀层3的厚度为3mm，瓶体隔热层4的厚度9mm，瓶体增强层5的厚度4mm，重量为19kg，与气瓶2相适配的接嘴管耐烧蚀层6厚度为
3mm, 接管嘴隔热层7厚度为9mm,接管嘴金属件8厚度为6mm,接管嘴隔热层尾端采用台阶式结构,以增大与瓶体隔热层4的粘接面积；

[0032] 2）按照计算确定的要求制作接管嘴1的各组成部件，包括采用碳纤维增强酚醛丁腈树脂材料制作成接管嘴耐烧蚀层6预成型体、采用三元乙丙薄片材料制作接管嘴隔热层7、采用耐热钢材料制作成接管嘴金属件8，控制接管嘴金属件8肩根部厚度为6mm，接嘴管耐烧蚀层6厚度为3mm, 以及接管嘴隔热层7厚度为9mm；在模压成型时，首先，机加工接管嘴金属件，然后将碳纤维增强酚醛丁腈树脂、三元乙丙、接管嘴金属件由内向外依次装入接管嘴压塑模中，然后将接管嘴压塑模置于硫化机上，升温到80℃保温20min，加压2~3Mpa，再升温至150℃后，保温90min，断电，随机降温，当模具温度≤50℃时，脱模；

[0033] 3）按照计算确定的要求制作与瓶体2内衬相适应的木芯模；

[0034] 4）无机耐高温胶粘剂采用黑龙江石化所研制的J-244胶粘剂，然后用无机耐高温胶粘剂浸润碳布，晾置十分钟，制成碳布预浸料；将碳布预浸料均匀包裹在木芯模上，褶皱的位置用剪刀裁开，接缝搭接10±5mm，共6层，厚度为3mm；再在碳布预浸料外表面包裹脱模布，然后用玻璃纤维缠绕加压，共缠绕两个纵向，缠绕张力18N/股；缠绕结束后放入烘箱中固化成型，固化制度为20℃保温2h，然后升温至40℃保温2h，再升温至60℃保温2h，再升温至80℃保温2h，再升温至90℃保温2h，再升温至120℃保温2h，再升温至150℃保温2h，最后升温至180℃保温6h；冷却到室温后出炉，清除表面玻璃纤维和脱模布；然后将固化后的碳布增强无机耐高温胶粘剂复合材料在赤道处沿环向切开，取出木芯模，即形成耐烧蚀层3；

[0035] 5）在耐烧蚀层3两端各套接一个接管嘴1，将瓶体耐烧蚀层3和两个接管嘴1同轴定位后，在接管嘴1与瓶体耐烧蚀层3的装配面涂刷胶粘剂两遍，然后将接管嘴1与瓶体耐烧蚀层3粘接面压紧，并用缠绕芯轴紧固，常温固化24h即可成型；

[0036] 6）在瓶体耐烧蚀层3外部粘贴隔热胶片，隔热胶片出片厚度为1.5±0.1mm；根据球面形状确定胶片的总体展开尺寸，并按圆周方向取胶片4~6片、胶片宽度70mm、80mm、90mm、100mm的要求裁剪好需要粘贴的胶片，预留坡口制作部位；厚度大于等于1.5mm、且有对接位置要求的胶片打坡口，坡口尺寸4±1mm；从两端接管嘴1外缘分别向中间贴片，在粘接表面涂刷胶粘剂两遍，贴片时，保证所裁剪胶片与所粘贴部位一致；隔热层总厚为9mm，共分三次贴片，每次贴片约3mm；第一次、第二次贴片后缠绕玻璃纤维干纱加压，并放入烘箱中预硫化处理，预硫化制度为100℃保温1h，随炉降至室温，然后去除干纱；第三次贴片后缠绕玻璃纤维干纱加压，放置1~2h，去除干纱，即形成隔热层4；

[0037] 7）在装纱轴上安装四团T700SC-12000碳纤维，并用螺母紧固定位，纤维依次通过摆杆、梳子、导向轮、浸胶辊、挑纱回纱装置、丝嘴；将树脂胶液倒入浸胶槽，调整浸胶量，保证纤维充分浸润；在瓶体隔热层4外缠绕碳纤维增强环氧树脂基复合材料，单纱设置张力18N/股，纵向缠绕纱宽12mm，则每层厚度约为0.35mm，共需缠绕12层，总厚度约为4.2mm；
缠绕完成后，小心剪断纤维，继续旋转主轴，刮去缓冲器多余胶液后将气瓶从缠绕机上拆卸下来，转入固化工序；将隔热层/增强层置于烘箱中共固化，固化制度为：95℃保持3h，接着升温至125℃保持2h，然后升温至150℃保持6h；随炉降温至室温，脱模，即形成壳体增强层
6，从而完成复合气瓶成型。

[0038] 实施例2

[0039] 一种高温高压复合气瓶，其结构同实施例1.

[0040] 该高温高压绝热复合气瓶用于某固体姿控动力系统，其工作温度、工作压强、重量和气瓶容积的要求见表2：

[0041] 表2

[0042]气瓶容积 ≥30L
最高工作压强 25MPa
工作温度 ≤1000℃
工作时间 400s
重量 ≤16kg

[0043] 该耐高温高压复合气瓶的制备方法包括以下步骤：

[0044] 1）根据复合气瓶工作温度、工作压强、重量和气瓶容积的要求，应用Hypermesh软件通过有限元分析，计算出瓶体2的瓶体耐烧蚀层3的厚度为3mm，瓶体隔热层4的厚度7mm，瓶体增强层5的厚度6.8mm，重量为15kg，与气瓶2相适配的接嘴管耐烧蚀层6厚度为
3mm, 接管嘴隔热层7厚度为7mm,接管嘴金属件8厚度为6.8mm,接管嘴隔热层尾端采用台阶式结构,以增大与瓶体隔热层4的粘接面积；

[0045] 2）按照计算确定的要求制作接管嘴1的各组成部件，包括采用碳纤维增强酚醛丁腈树脂材料制作成接管嘴耐烧蚀层6预成型体、采用三元乙丙薄片材料制作接管嘴隔热层7、采用耐热钢材料制作成接管嘴金属件8，控制接管嘴金属件8肩根部厚度为6.8mm，接嘴管耐烧蚀层6厚度为3mm, 以及接管嘴隔热层7厚度为7mm；在模压成型时，首先，机加工接管嘴金属件，然后将碳纤维增强酚醛丁腈树脂、三元乙丙、接管嘴金属件由内向外依次装入接管嘴压塑模中，然后将接管嘴压塑模置于硫化机上，升温到80℃保温20min，加压2~3Mpa，再升温至150℃后，保温90min，断电，随机降温，当模具温度≤50℃时，脱模；

[0046] 3）按照计算确定的要求制作与瓶体2内衬相适应的木芯模；

[0047] 4）无机耐高温胶粘剂采用黑龙江石化所研制的J-244胶粘剂，然后用无机耐高温胶粘剂浸润碳布，晾置十分钟，制成碳布预浸料；将碳布预浸料均匀包裹在木芯模上，褶皱的位置用剪刀裁开，接缝搭接10±5mm，共6层，厚度为3mm；再在碳布预浸料外表面包裹脱模布，然后用玻璃纤维缠绕加压，共缠绕两个纵向，缠绕张力18N/股；缠绕结束后放入烘箱中固化成型，固化制度为25℃保温1.5h，然后升温至40℃保温2h，再升温至55℃保温2.5h，再升温至80℃保温2h，再升温至95℃保温2h，再升温至130℃保温2h，再升温至140℃保温2.5h，最后升温至180℃保温6h；冷却到室温后出炉，清除表面玻璃纤维和脱模布；然后将固化后的碳布增强无机耐高温胶粘剂复合材料在赤道处沿环向切开，取出木芯模，即形成耐烧蚀层3；

[0048] 5）在耐烧蚀层3两端各套接一个接管嘴1，将瓶体耐烧蚀层3和两个接管嘴1同轴定位后，在接管嘴1与瓶体耐烧蚀层3的装配面涂刷胶粘剂两遍，然后将接管嘴1与瓶体耐烧蚀层3粘接面压紧，并用缠绕芯轴紧固，常温固化24h即可成型；

[0049] 6）在瓶体耐烧蚀层3外部粘贴隔热胶片，隔热胶片出片厚度为1.5±0.1mm；根据球面形状确定胶片的总体展开尺寸，并按圆周方向取胶片4~6片、胶片宽度70mm、80mm、90mm、100mm的要求裁剪好需要粘贴的胶片，预留坡口制作部位；厚度大于等于1.5mm、且有对接位置要求的胶片打坡口，坡口尺寸4±1mm；从两端接管嘴1外缘分别向中间贴片，在粘接表面涂刷胶粘剂两遍，贴片时，保证所裁剪胶片与所粘贴部位一致；瓶体隔热层4总厚为
7mm，共分两次贴片，每次贴片约3.5mm，其中0.5mm/1层 、1.5mm/2层；第一次、第二次贴片后缠绕玻璃纤维干纱加压，并放入烘箱中预硫化处理，预硫化制度为100℃保温1h，随炉降至室温，然后去除干纱；第三次贴片后缠绕玻璃纤维干纱加压，放置1~2h，去除干纱，即形成隔热层4；

[0050] 7）在装纱轴上安装四团T700SC-12000碳纤维，并用螺母紧固定位，纤维依次通过摆杆、梳子、导向轮、浸胶辊、挑纱回纱装置、丝嘴；将树脂胶液倒入浸胶槽，调整浸胶量，保证纤维充分浸润；在瓶体隔热层4外缠绕碳纤维增强环氧树脂基复合材料，单纱设置张力18N/股，纵向缠绕纱宽12mm，则每层厚度约为0.35mm，共需缠绕20层，总厚度约为7mm；缠绕完成后，小心剪断纤维，继续旋转主轴，刮去缓冲器多余胶液后将气瓶从缠绕机上拆卸下来，转入固化工序；将隔热层/增强层置于烘箱中共固化，固化制度为：95℃保持3h，接着升温至125℃保持2h，然后升温至150℃保持6h；随炉降温至室温，脱模，即形成壳体增强层
6，从而完成复合气瓶成型。