[发明专利]一种金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶及其制造方法

说明书

本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶及其制造方法，包括镍基合金内衬、碳纤维/环氧树脂复合层以及金属法兰，其中：镍基合金内衬由气口接头、气口端封头、筒体、密封端封头以及密封端接头焊接而成；碳纤维/环氧树脂复合层缠绕在镍基合金内衬的外表面；金属法兰与密封端封头底部连接。本发明结构简单、可靠性高、安全性高、承压能力强、本体质量小、介质储存范围宽、耐高低温环境强，能够同时满足高性能因子和高疲劳寿命的性能要求，满足航天、航空、船舶等领域对轻质高强复合材料气瓶的需求。

技术领域

本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶及其制造方法。

背景技术

复合材料气瓶相对于全金属气瓶，具有质量轻、强度高、负载工作寿命长、失效模式安全等特点，使其在航天、航空等领域得到广泛应用。为满足轻质高强特性，航天等领域气瓶多采用超薄壁内衬设计，气瓶工作时内衬发生较大塑性变形，属于低周疲劳寿命设计，疲劳寿命一般小于100次，导致超薄壁内衬气瓶不能用于高疲劳寿命要求的工程领域。内衬壁厚越薄，气瓶性能因子越高，随着航天、航空等领域对气瓶性能因子和疲劳寿命要求的提高，急需研发一种能够满足高疲劳寿命要求的超薄壁内衬复合气瓶。

随着航天技术的不断发展、载人登月技术的需求以及运载火箭、导弹、航空领域对高性能气瓶的需求，需要一种抗高低温环境能力强，储存介质范围广的多用途高性能气瓶定型产品。传统航天气瓶内衬采用钛合金，存在不能存储氧气、氢气、液氢、液氧等介质的问题，纯钛、铝合金、不锈钢材料弹性应变区间窄，不满足超薄壁内衬高疲劳寿命气瓶设计要求，不能同时满足性能因子高和疲劳寿命高的要求，传统气瓶复合层树脂热变形温度低，低温力学性能差，不能满足抗高低温环境要求，因此各领域急需一种多用途高性能超薄壁金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶及其制造方法，安全性高，承压能力强，能够同时满足高性能因子和高疲劳寿命。

本申请提供的一种金属内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶，包括镍基合金内衬、碳纤维/环氧树脂复合层以及金属法兰，其中：镍基合金内衬由气口端接头、气口端封头、筒体、密封端封头以及密封端接头焊接而成；碳纤维/环氧树脂复合层缠绕在镍基合金内衬的外表面；金属法兰与密封端封头底部连接。

进一步的，镍基合金内衬为圆柱形或球形。

进一步的，镍基合金内衬材料采用Inconel-718镍基合金。

进一步的，Inconel-718镍基合金的抗拉强度≥1350MPa、屈服强度≥1000MPa、弹性模量为210GPa，断裂延伸率≥18％，断面收缩率≥28％。

进一步的，镍基合金内衬的基础壁厚≤0.7mm，

进一步的，碳纤维/环氧树脂复合层由连续螺旋缠绕层和环向缠绕层组成。

进一步的，碳纤维/环氧树脂复合层中的纤维采用T1000碳纤维。

进一步的，T1000碳纤维抗拉强度≥6000MPa、弹性模量为290GPa、断裂延伸率≥2.2％。

进一步的，碳纤维/环氧树脂复合层中的环氧树脂热变形温度≥160℃。