CN111678033B - 无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法 - Google Patents

无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法，该无内衬复合材料液氧贮箱包括前封头外法兰、前封头内法兰、后封头外法兰、后封头内法兰、复材层，所述前封头外法兰与前封头内法兰装配固定于复材层的前极孔部位，所述后封头外法兰与后封头内法兰装配固定于复材层的后极孔部位。该无内衬复合材料液氧贮箱的制备方法，主要包括以下步骤：S10砂芯模的制备；S20：内法兰安装；S30：纤维湿法缠绕；S40：外法兰装配；S50：加热固化成型；S60：水洗脱模。本发明的液氧贮箱采用无内衬结构设计，相比于有内衬贮箱，可有效降低产品重量20％‑40％，从而提高航天器的运载能力，节约成本；且其制备周期短，流程简单。

Description

无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制品纤维缠绕成型技术领域，具体涉及为一种无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法。
背景技术
近些年来，金属贮箱通过结构优化设计来减轻结构重量基本已经到达了极限，复合材料纤维缠绕容器具有质量轻、强度大的优点，逐步进入了人们的视野，因此航天器中储存液氧的容器常采用复合材料来制备。
现有的液氧贮箱一般为带有金属或非金属内衬的复合材料贮箱，其中内衬承担缠绕时的芯模作用，以及充当复合材料贮箱内层的密封结构，内衬的存在进一步增加了贮箱的重量，且内衬本身的制作也增加了液氧贮箱的生产工序和成本。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的不足，提出了一种无内衬复合材料液氧贮箱及其制备方法，减轻复合材料液氧贮箱的重量，提高航天器的运载效率，降低生产成本。
为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：
一种无内衬复合材料液氧贮箱，包括前封头外法兰、前封头内法兰、后封头外法兰、后封头内法兰、复材层，所述前封头外法兰与前封头内法兰装配固定于复材层的前极孔部位，所述后封头外法兰与后封头内法兰装配固定于复材层的后极孔部位。
进一步的，所述前封头内法兰的下端面和后封头内法兰的下端面均设置有翻边，且前封头外法兰下表面、前封头内法兰翻边上表面分别与复材层前极孔部位的两侧壁相贴合，后封头外法兰下表面、后封头内法兰翻边上表面分别与复材层后极孔部位的两侧壁相贴合。
进一步的，所述前封头外法兰的上端面、后封头外法兰的上端面均设置有密封槽和贯通的螺纹孔。
进一步的，所述前封头外法兰螺纹连接于前封头内法兰外侧，且复材层前极孔部位的端部位于前封头外法兰和前封头内法兰的相对的表面之间；
所述后封头外法兰螺纹连接于后封头内法兰外侧，且复材层后极孔部位的端部位于后封头外法兰和后封头内法兰相对的表面之间。
进一步的，所述前封头外法兰、前封头内法兰、后封头外法兰和后封头内法兰的表面均经阳极化处理。
进一步的，所述复材层采用碳纤维/改良液氧相容性低粘度树脂经过湿法缠绕，并加热旋转固化而成。
还提出了一种基于所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制备方法，主要包括以下步骤：
S10：根据液氧贮箱内表面的尺寸形状要求制作相应的可溶性砂芯模，对其芯模表面进行处理，并在芯模表面贴覆一层脱模布；
S20：在芯模两端分别安装固定前封头内法兰和后封头内法兰；
S30：将芯模放置于缠绕机上，设定缠绕程序，将树脂溶液加热搅拌均匀并冷却后置于胶槽中，将纱架上的碳纤维纱束穿过胶槽在芯模表面进行湿法缠绕；
S40：缠绕完成后，将前封头外法兰紧固于前封头内法兰上，将后封头外法兰紧固于后封头内法兰上；
S50：缠绕完成后将液氧贮箱移入固化设备内进行固化；
S60：固化完成后，经脱模工序后得到液氧贮箱坯件，液氧贮箱坯件经表面清洁处理得到所需的无内衬复合材料液氧贮箱。
进一步的，步骤S10中，芯模表面的处理包括缺陷部位的补平处理和表面的打磨处理。
进一步的，在步骤S30中，湿法缠绕的具体过程为：
S301：将碳纤维沿芯模以一定的缠绕角在芯模的表面进行螺旋缠绕，以及筒身段的环向缠绕，形成内缠绕层；
S302：在内缠绕层的表面包裹一层薄纱；
S303：在薄纱的表面再次进行纤维纱的螺旋缠绕和环向缠绕，形成完整的缠绕层，并在缠绕过程中刮除多余的树脂溶液。
进一步的，在步骤S50中，固化温度不高于160℃，固化时间不低于10h。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
1、本发明的无内衬复合材料液氧贮箱相对于有内衬贮箱，无内衬复合材料贮箱能减重20％-40％，有效提高运载效率，节约成本；
2、本发明采用内外法兰连接复材层以及外部结构件，结构简单，工艺简便；
3、本发明采用改良低温液氧相容性树脂，有效减小低温状态下树脂的开裂性，避免液氧的渗漏。
附图说明
图1为本发明无内衬复合材料液氧贮箱的整体结构示意图；
图2为本发明前封头外法兰与前封头内法兰连接状态时的结构示意图；
图3为本发明无内衬复合材料液氧贮箱制备方法的工艺流程图。
图中：1前封头外法兰、2前封头内法兰、3后封头外法兰、4后封头内法兰、5复材层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，一种无内衬复合材料液氧贮箱，包括前封头外法兰1、前封头内法兰2、后封头外法兰3、后封头内法兰4、复材层5，前封头外法兰1与前封头内法兰2装配固定于复材层5的前极孔部位，后封头外法兰与后封头内法兰4装配固定于复材层5的后极孔部位。
本实施例中，前封头外法兰1、前封头内法兰2、后封头外法兰3和后封头内法兰4均采用铝合金材质制成，各个法兰的实际形状和尺寸依据液氧贮箱的实际使用需求而定，且各个法兰的表面均经阳极化处理，并在液氧贮箱制备前保持各个法兰表面的光整和清洁。
进一步的，前封头外法兰1的直径尺寸为后封头外法兰3直径尺寸的1-4倍，对应地，前封头内法兰2的直径尺寸为后封头内法兰4直径尺寸相同的倍数，以适应不同孔径的液氧贮箱的制备和使用要求。前封头内法兰2的下端面、后封头内法兰4的下端面均设置有翻边。前封头内法兰2、后封头内法兰4的翻边外径尺寸为对应安装处的复材层5极孔直径尺寸的1.2-1.5倍，翻边厚度为1-10mm。前封头外法兰1、后封头外法兰3的下表面的曲线长度为制备复材层5所用缠绕纱带宽度的1.1-1.3倍。
前封头内法兰2的翻边上表面与制作复材层5的极孔部位处的芯模的椭圆面形状相匹配，使得复材层5制作完成后，其内壁为连续的曲面。同时，前封头外法兰1的下表面形状与对应的复材层5极孔部位的外壁表面的形状相匹配，使得前封头外法兰1下表面、前封头内法兰2翻边的上表面分别与复材层5前极孔部位的两侧壁贴合连接，以形成完整的密封连接结构。同样的，后封头外法兰3与前封头外法兰1采用相似的结构设计，后封头内法兰4与前封头内法兰2采用相似的结构设计，使得后封头外法兰3的下表面和后封头内法兰4的上表面分别与复材层5后极孔部位的两侧壁贴合连接。
如图2所示，前封头外法兰1的上端面设置有密封槽和贯通的螺纹孔，前封头外法兰1通过螺纹连接紧固于前封头内法兰2的外侧。前封头内法兰2上外螺纹段的长度足以使前封头外法兰1与前封头内法兰2装配后，复材层5前极孔部位与前封头外法兰1和前封头内法兰2相对的表面上下贴合，以实现复材层5前极孔的端部在前封头外法兰1和前封头内法兰2之间的嵌装固定和密封连接。同时，前封头内法兰2的内侧面为锥面，用于制备复材层5的芯模上的装配和定位。
同样的，后封头外法兰3与后封头内法兰4之间采用相同的连接方式，以实现复材层5后极孔的端部在后封头外法兰3与后封头内法兰4之间的嵌装固定和密封连接。
复材层5采用SYT49S-12K型碳纤维/改良液氧相容性低粘度树脂经过湿法缠绕，并加热固化而成。
基于上述的无内衬复合材料液氧贮箱的制备方法，主要包括以下步骤：
S10：根据液氧贮箱内表面的尺寸形状要求制作相应的可溶性砂芯模，对其芯模表面进行处理，并在芯模表面贴覆一层脱模布。
本步骤中，可溶性砂芯模由石英砂、水、聚乙烯醇组成的常规制芯材料制成，芯模的轴心处设置有金属芯轴。芯模在成型金属模具中制作，芯模取出后，对芯模的表面进行适当的检查和处理。芯模表面的处理包括缺陷部位的补平处理和表面的打磨处理，以保证芯模表面的光整、连续，从而保证制得的复材层5表面的光整性。
同时，脱模布应与芯轴的表面可靠贴合，避免脱膜布的表面产生褶皱的现象。
S20：在芯模两端分别安装固定前封头内法兰2和后封头内法兰4。
具体地，先去除砂芯模两端的多余部分，再将前封头内法兰2由芯模的一端套接在金属芯轴上，并将前封头内法兰2移动至其与芯轴组配的位置，并依靠前封头内法兰2的锥面与金属芯轴的过盈配合来实现定位和紧固。此时，前封头内法兰2的翻边上表面与芯模的椭圆面为同一椭圆面。
后封头内法兰4采用与前封头内法兰2相同的方式完成在芯模上的组装，而后在金属芯轴的两端安装辅助工装，用于芯模后续的定位装夹。
S30：将芯模放置于缠绕机上，按照所需铺层角度设定缠绕程序，将树脂溶液加热搅拌均匀后置于胶槽中，将纱架上的碳纤维穿过胶槽并在导丝嘴的引导下在芯模表面进行湿法缠绕。
本实施例中，复材层5的主要制备材料采用SYT49S-12K型碳纤维/改良液氧相容性低粘度树脂。改良液氧相容性低粘度树脂与固化剂在80℃搅拌均匀，时间为5-6min，随后采用水浴搅拌均匀并冷却至室温。
所述复材层的缠绕角度及层数为[±17/902/±17/902]，中间包裹一层薄纱，复材层的厚度为2-10mm。
湿法缠绕的具体过程为：
S301：缠绕机驱动芯模旋转，并驱动导丝嘴沿芯模的轴线方向往返运动，使碳纤维沿芯模以一定的缠绕机角在芯模的表面进行螺旋缠绕和筒身段环向缠绕，形成内缠绕层；
S302：内缠绕层完成后，在表面包裹一层薄纱。薄纱可以进一步防渗。
S303：在薄纱的表面进行碳纤维的再次缠绕，并在缠绕过程中采用刮刀刮除多余的树脂，使得复材层5的表面光整。
S40：缠绕完成后，将前封头外法兰1通过螺纹配合紧固于前封头内法兰2上，实现密封连接；同样的，将后封头外法兰3通过螺纹配合紧固于后封头内法兰4上，实现密封连接。
S50：缠绕完成后将液氧贮箱移入固化设备内进行固化。
本步骤中，采用固化炉对缠绕完成的液氧贮箱进行旋转加热固化，固化温度不高于160℃，固化时间不低于10h。具体参数过程参数为：室温升温20min达到100℃，在100℃保温2h，从100℃升温10min达到130℃，在130℃保温2h，从130℃升温10min达到155℃，在155℃保温6h，随后进行自然冷却。
S60：固化完成后，经脱模工序后得到液氧贮箱坯件，液氧贮箱坯件经表面清洁处理得到所需的无内衬复合材料液氧贮箱。
使用温水冲洗石英砂芯模进行脱模，脱模完成后取出贮箱内层脱模布。
脱模工序的具体过程为：先移除芯模两端的辅助工装，而后用80℃的温水冲洗砂芯模进行脱模，脱模完成后取出液氧贮箱内壁上贴附的脱模布，再对液氧贮箱的内壁经表面清洁处理得到所需要的无内衬复合材料液氧贮箱。
本发明的复合材料液氧贮箱采用无内衬设计，可以有效的减轻重量，相对于有内衬贮箱，无内衬复合材料贮箱能减重20％-40％。两端极孔部位的法兰采用特殊结构设计用于相连接，可以有效避免液氧的渗漏。复合材料所用树脂为经过改良的树脂，可以有效提高低温抗裂纹性以及液氧相容性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：所述液氧贮箱包括前封头外法兰(1)、前封头内法兰(2)、后封头外法兰(3)、后封头内法兰(4)、复材层(5)，所述前封头外法兰(1)与前封头内法兰(2)装配固定于复材层(5)的前极孔部位，所述后封头外法兰与后封头内法兰(4)装配固定于复材层(5)的后极孔部位；所述前封头内法兰(2)的下端面和后封头内法兰(4)的下端面均设置有翻边，且前封头外法兰(1)下表面、前封头内法兰(2)翻边上表面分别与复材层(5)前极孔部位的两侧壁相贴合，后封头外法兰(3)下表面和后封头内法兰(4)翻边上表面分别与复材层(5)后极孔部位的两侧壁相贴合；
所述液氧贮箱的制备方法，主要包括以下步骤：
S10：根据液氧贮箱内表面的尺寸形状要求制作相应的可溶性砂芯模，对其芯模表面进行处理，并在芯模表面贴覆一层脱模布；
S20：在芯模两端分别安装固定前封头内法兰(2)和后封头内法兰(4)，具体的，先去除砂芯模两端的多余部分，再将前封头内法兰(2)由芯模的一端套接在金属芯轴上，并将前封头内法兰(2)移动至其与芯轴组配的位置，并依靠前封头内法兰(2)的锥面与金属芯轴的过盈配合来实现定位和紧固，此时，前封头内法兰(2)的翻边上表面与砂芯模的椭圆面为同一椭圆面；后封头内法兰(4)采用与前封头内法兰(2)相同的方式完成在芯模上的组装；
S30：将芯模放置于缠绕机上，设定缠绕程序，将低粘度树脂溶液加热搅拌均匀并冷却后置于胶槽中，将纱架上的碳纤维穿过胶槽在芯模表面进行湿法缠绕；
S40：缠绕完成后，将前封头外法兰(1)紧固于前封头内法兰(2)上，将后封头外法兰(3)紧固于后封头内法兰(4)上；
S50：缠绕完成后将液氧贮箱移入固化设备内进行旋转加热固化；
S60：固化完成后，经脱模工序后得到液氧贮箱坯件，液氧贮箱坯件经表面清洁处理得到所需的无内衬复合材料液氧贮箱。
2.权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：所述前封头外法兰(1)的上端面和后封头外法兰(3)的上端面均设置有密封槽和贯通的螺纹孔。
3.根据权利要求2所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：所述前封头外法兰(1)螺纹连接于前封头内法兰(2)外侧，且复材层(5)前极孔部位的端部位于前封头外法兰(1)和前封头内法兰(2)相对的表面之间；所述后封头外法兰(3)螺纹连接于后封头内法兰(4)外侧，且复材层(5)后极孔部位的端部位于后封头外法兰(3)和后封头内法兰(4)相对的表面之间。
4.根据权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：所述前封头外法兰(1)、前封头内法兰(2)、后封头外法兰(3)和后封头内法兰(4)的表面均经阳极化处理。
5.根据权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：所述复材层(5)采用碳纤维/改良液氧相容性低粘度树脂经过湿法缠绕，并加热固化而成。
6.根据权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：步骤S10中，芯模表面的处理包括缺陷部位的补平处理和表面的打磨处理。
7.根据权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：在步骤S30中，湿法缠绕的具体过程为：
S301：将碳纤维沿芯模以一定的缠绕角在芯模的表面进行螺旋缠绕，以及筒身段的环向缠绕，形成内缠绕层；
S302：在内缠绕层的表面包裹一层薄纱；
S303：在薄纱的表面再次进行纤维纱的螺旋缠绕和环向缠绕，形成完整的缠绕层，并在缠绕过程中刮除多余的树脂溶液。
8.根据权利要求1所述的无内衬复合材料液氧贮箱的制作方法，其特征在于：在步骤S50中，固化温度不高于160℃，固化时间不低于10h。
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