[發明專利]一種聚酰亞胺復合材料氣瓶及其制備方法

有效

• 申請號: 201710598518.3
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN109282138B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 柯紅軍;徐鐵峰;王國勇;張維軍
• 申請（專利權）人: 航天特種材料及工藝技術研究所
• 主分類號: F17C1/06
• 分類號: F17C1/06;F17C13/00;B29C70/68;B29C53/56
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本發明提出一種聚酰亞胺復合材料氣瓶及其制備方法，由金屬內膽和復合材料外殼組成，所述的復合材料外殼由緩沖層和纏繞層構成，所述的緩沖層為聚酰亞胺膠膜，所述的纏繞層為浸漬了聚酰亞胺樹脂的纖維束，緩沖層粘貼在金屬內膽外表面，纏繞層在緩沖層外層以H?Z?H?Z?…?H?Z?H的順序交替纏繞，其中H為環向纏繞，Z為螺旋纏繞，緩沖層和纏繞層共固化得到復合材料外殼。本發明在金屬內膽與聚酰亞胺纏繞層之間引入聚酰亞胺膠膜緩沖層，基于粘結及熱應力緩沖雙功能設計，一方面使膠膜能夠在高固化溫度下實現原位發泡，另一方面膠膜高韌性能夠實現復合材料及金屬結構的良好粘結，提高剝離強度，同時能夠避免電位腐蝕，增強樹脂高溫固化及冷卻過程中金屬內膽與復合材料之間的熱應力匹配性。

技術領域

本發明涉及一種聚酰亞胺復合材料氣瓶及其制備方法，屬于復合材料技術領域。

背景技術

隨著航空航天技術的飛速發展，導彈及飛行器正朝著高速、遠程和結構功能一體化的方向發展，導彈及飛行器飛行速度可達Ma3～4，部分甚至突破了Ma6，遠程高速造成了嚴重的氣動加熱問題，使得彈體結構面臨著越來越苛刻的工作環境，高溫環境也限制了很多亞聲速常用的彈體結構材料如鋁合金、環氧類復合材料的運用，為進一步適應飛機大載彈量和導彈長射程的多重需求，彈體結構需要進一步的減重。

高壓氣瓶是用于一次性貯存壓縮氮氣的容器，主要作用是在導彈飛行過程中給油箱增壓，是航天器的危險性關鍵部件，內部貯存有很高的能量，早期高壓氣瓶主要為金屬結構。隨著航空航天技術的飛速發展，飛行器的射程要求越來越遠，為了有效降低結構占比，復合材料氣瓶逐漸替代金屬氣瓶。復合材料氣瓶由于具有較高的結構效率，已發展成為航空航天結構動力系統的關鍵組成部件之一，復合材料氣瓶具有較高的可靠性，負載工作壽命長，爆破前先泄漏和無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式逐漸替代金屬材料。

目前高壓氣瓶以含金屬內襯全纏繞復合材料氣瓶為主，其結構形式主要有兩種，一種是金屬內襯+復合材料纏繞層+外防護層，該類復合材料纏繞層主要采用環氧樹脂體系，外層采用防熱層包覆，環氧樹脂纏繞層主要起承載作用，外防熱層作用為阻隔或減少熱源向內部傳輸，這種結構往往外防熱層厚度較厚，重量較大，結構效率較低，且防熱層主要起到防熱作用，沒有承載作用，同時氣瓶封頭位置為異型面，防熱層包覆工藝難度較大。另一種結構形式為金屬內襯+界面緩沖層+復合材料纏繞層，界面緩沖層為隔熱層或粘接劑，其中復合材料纏繞層主要為環氧樹脂體系，界面緩沖層主要采用橡膠或環氧膠黏劑，環氧樹脂體系的不能滿足耐溫要求。

目前高壓復合材料氣瓶采用的樹脂體系主要為環氧類，隨著飛行器飛行速度越來越快，內部溫度越來越高，要求飛行器構件的結構效率越來越高，受飛行器氣動外形包絡線的限制，高壓氣瓶越來越要求提高結構效率，即在同樣外界溫度環境下，要求復合材料纏繞層自身具有耐高溫、高承載特性，同時在有限的空間中盡可能減小氣瓶纏繞層厚度，而環氧類復合材料已無法滿足高溫承載的需求。

聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，其耐熱溫度最高可達600℃以上，長期使用溫度范圍在200～500℃，目前聚酰亞胺復合材料是國際上通用的耐高溫、高承載結構的主體材料。將其使用于復合材料氣瓶是一條解決現有材料高溫承載能力弱的思路，但是在研究過程中發現，由于聚酰亞胺固化溫度較高，金屬內膽與復合材料熱膨脹不一致現象明顯，同時其固化工藝控制難度較大，在反應過程中需要經過溶劑揮發、酰胺化、亞胺化、交聯固化等多個階段，整個工藝過程比較復雜，需要控制的工藝參數較多。另外耐高溫聚酰亞胺樹脂只能適合溶液法纏繞工藝，聚酰亞胺樹脂中含有溶劑，在纏繞后需對溶劑進行去除，而去除溶劑后，纖維會發生收縮，固化后發生纖維屈曲，降低氣瓶的爆破壓力，影響承載強度。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種輕量化、工藝簡單、耐高溫高壓的聚酰亞胺復合材料氣瓶及其制備方法。