袁海根，王喜占，王 健，姜麗萍

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ纏繞環(huán)形壓力容器研制

袁海根，王喜占，王 健，姜麗萍

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

在復(fù)合材料環(huán)形容器纖維纏繞原理的基礎(chǔ)上開(kāi)展了環(huán)形容器內(nèi)襯成型、國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ預(yù)浸膠帶纏繞與干紗纏繞再浸膠結(jié)構(gòu)層成型技術(shù)研究，探索出纖維纏繞環(huán)形容器可行的成型工藝方法。研制結(jié)果表明，在砂芯模上粘貼丁腈橡膠生片，經(jīng)高溫硫化和表面打磨后能保證在纏繞過(guò)程中外型面良好；按預(yù)浸膠帶纏繞工藝方法成型的芳綸Ⅲ環(huán)形壓力容器爆破壓強(qiáng)為31.7 MPa，特性系數(shù)達(dá)到20.44 km。

國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ；環(huán)形壓力容器；纖維纏繞；特性系數(shù)；研制

0 引言

復(fù)合材料環(huán)形壓力容器是一種容器特性系數(shù)略低于柱形容器或球形容器的特殊壓力容器，具有柱形容器及球形容器無(wú)法比擬的安裝空間位置優(yōu)勢(shì)。因此采用纖維纏繞成型合適尺寸的環(huán)形壓力容器可以為整體設(shè)計(jì)與安裝帶來(lái)不可忽視的減重和節(jié)約空間等特殊優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)在航空、航天領(lǐng)域已經(jīng)有多種纖維纏繞復(fù)合材料環(huán)形壓力容器得到批產(chǎn)與應(yīng)用[1～4]。

環(huán)形壓力容器表面是由一個(gè)半徑為r0的圓或橢圓（稱(chēng)為截面圓）繞距離該圓心為R0（稱(chēng)為中心圓）的軸回轉(zhuǎn)一周所形成的封閉曲面。由于環(huán)形壓力容器封閉結(jié)構(gòu)的特殊性，要實(shí)現(xiàn)環(huán)形容器的連續(xù)纖維纏繞，纖維紗團(tuán)必須和絲嘴組合在一起圍繞環(huán)中徑做螺旋運(yùn)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的環(huán)形纏繞機(jī)實(shí)現(xiàn)纖維在環(huán)形壓力容器表面纏繞。環(huán)形纏繞機(jī)一般通過(guò)摩擦帶動(dòng)環(huán)形壓力容器的轉(zhuǎn)動(dòng)，只要控制好環(huán)形壓力容器芯模和絲嘴運(yùn)動(dòng)的速比，就可以纏繞出較為理想的纏繞線(xiàn)型。由于芳綸Ⅲ具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)、高模等特性，以及與碳纖維相比具有較好的耐磨性，適合作為纖維纏繞復(fù)合材料壓力環(huán)形容器的增強(qiáng)材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ由中藍(lán)晨光化工研究院生產(chǎn)，復(fù)絲拉伸強(qiáng)度、模量、延伸率和束紗線(xiàn)密度試樣的制作與測(cè)試分別按GJB348-87進(jìn)行，力學(xué)性能測(cè)試在DSS-10T-S萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所示。

樹(shù)脂基體采用本所自行研制的干法配方XAAC-G1和濕法配方XAAC-S2，其澆鑄體的試樣制作及拉伸、彎曲性能測(cè)試按GB/T 2567-2008進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示。

1.2 成型工藝及設(shè)備

圓環(huán)壓力容器的中徑為φ395 mm、截面圓直徑為φ101 mm，內(nèi)襯采用兩種成型方法：①在砂芯模表面覆蓋一層丁腈橡膠生片，然后采用玻璃布手糊成型內(nèi)襯，玻璃布鋪層結(jié)束后，在其表面纏裹聚四氟乙烯帶，按相應(yīng)的固化制度放入電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行固化。出爐后，采用水沖的方法去除內(nèi)部的砂子；②在砂芯模表面覆蓋一層丁腈橡膠生片后，纏繞收縮帶，并按相應(yīng)的固化制度放入電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行固化。圓環(huán)壓力容器結(jié)構(gòu)層采用國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ預(yù)浸帶連續(xù)纏繞、進(jìn)爐固化和國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ干紗纏繞再浸膠兩種成型方法。

數(shù)控環(huán)形纏繞機(jī)由本所自行研制，能夠成型中心圓直徑D0為φ390～1 000 mm及截面圓直徑d0為φ100～200 mm的復(fù)合材料圓環(huán)壓力容器。電熱鼓風(fēng)干燥箱由重慶四達(dá)試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

1.3 測(cè)試

1.3.1 容積測(cè)量

纖維纏繞圓環(huán)壓力容器的凈容積按以下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中，V為圓環(huán)壓力容器的凈容積（m3）；W1為圓環(huán)壓力容器的質(zhì)量（kg）；W2為堵頭的質(zhì)量（kg）；W3為充滿(mǎn)水的圓環(huán)壓力容器和堵頭的總質(zhì)量（kg）；ρ為潔凈自來(lái)水在試驗(yàn)溫度下的密度（查表）（kg/m3）。

1.3.2 爆破壓強(qiáng)測(cè)量

纖維纏繞圓環(huán)壓力容器內(nèi)壓承載能力按GJB392-87中5.10條水壓爆破試驗(yàn)的規(guī)定進(jìn)行。將容器充滿(mǎn)自來(lái)水，與試驗(yàn)系統(tǒng)連接，加壓速率不超過(guò)1.47 MPa/s，加壓直至容器發(fā)生破壞。

2 結(jié)果與討論

表1 國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ拉伸性能

表2 樹(shù)脂澆注體力學(xué)性能

圖1 脫模后的圓環(huán)壓力容器復(fù)合材料內(nèi)襯

2.1 圓環(huán)壓力容器內(nèi)襯成型工藝優(yōu)化

圓環(huán)壓力容器內(nèi)襯的主要作用是保證產(chǎn)品的內(nèi)氣密性能以及為后續(xù)的纏繞提供合適的外型面。第一種成型方法的圓環(huán)壓力容器內(nèi)襯見(jiàn)圖1所示。由于復(fù)合材料內(nèi)襯采用手糊工藝成型，表面裹纏的聚四氟乙烯帶對(duì)玻璃布的壓力可忽略不計(jì)，且為常壓固化，導(dǎo)致丁腈橡膠與玻璃布復(fù)合材料界面粘貼性能較差，見(jiàn)圖2所示。第二種成型方法的圓環(huán)壓力容器內(nèi)襯見(jiàn)圖3所示。

從上述兩種成型效果來(lái)看，在圓環(huán)壓力容器砂芯模上粘貼丁腈橡膠生片，經(jīng)高溫硫化表面打磨后能夠保證在纏繞過(guò)程中外型面良好。

2.2 纖維浸漬方式對(duì)圓環(huán)壓力容器性能的影響

由于環(huán)形纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，排紗路線(xiàn)比較復(fù)雜，難以有足夠的空間安裝纖維浸膠系統(tǒng)和對(duì)纏繞機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)，圓環(huán)壓力容器一般不采用傳統(tǒng)的濕法纏繞成型工藝，而是采用預(yù)浸帶連續(xù)纏繞和干紗纏繞再浸膠的成型工藝。

圓環(huán)壓力容器的結(jié)構(gòu)層纏繞成型開(kāi)展了芳綸Ⅲ預(yù)浸帶連續(xù)纏繞、進(jìn)爐固化和芳綸Ⅲ干紗纏繞再浸膠分步成型兩種成型方式，纏繞成型過(guò)程分別見(jiàn)圖4～5所示。容器脫模后，進(jìn)行了容積及爆破壓強(qiáng)測(cè)量，成型工藝參數(shù)與測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3所示。

圖2 圓環(huán)壓力容器復(fù)合材料內(nèi)襯解剖殘骸

圖3 硫化后的圓環(huán)壓力容器絕熱芯模

圖4 采用芳綸Ⅲ干紗纏繞再浸膠分步成型的圓環(huán)壓力容器

圖5 采用芳綸Ⅲ預(yù)浸帶連續(xù)纏繞成型的圓環(huán)壓力容器

表3 芳綸Ⅲ纏繞圓環(huán)壓力容器成型工藝參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，預(yù)浸膠帶纏繞成型的圓環(huán)壓力容器的特性系數(shù)（PV/W值）明顯要高于干紗纏繞再浸膠成型方式，主要原因有：①干紗之間的摩擦系數(shù)較小，在產(chǎn)品表面的落紗穩(wěn)定性差，只能采用更大的纏繞角成型，單層纖維在縱向上的承載能力變低；②干紗纏繞再浸膠成型工藝是待膠液將纖維完全浸漬后用刮擦、吸附等方式去除表面多余膠液，該成型方法復(fù)合材料內(nèi)部的空隙率明顯要低于預(yù)浸膠帶成型，因此含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于預(yù)浸膠帶的。在成型方法選擇上，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用條件和場(chǎng)合選擇合適的成型方式。預(yù)浸膠帶纏繞成型的環(huán)形壓力容器性能高，但復(fù)合材料內(nèi)部空隙率也高，適合于性能要求高且使用次數(shù)較少的場(chǎng)合；干紗纏繞再浸膠成型的環(huán)形壓力容器性能稍低，但復(fù)合材料內(nèi)部空隙率較少，適合于性能要求不高且使用次數(shù)較多的場(chǎng)合。

3 結(jié)論

在圓環(huán)壓力容器砂芯模上粘貼丁腈橡膠生片，經(jīng)高溫硫化和表面打磨后能夠保證在纏繞過(guò)程中外型面良好；采用國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ預(yù)浸帶纏繞成型與干紗纏繞再浸膠成型方法相比，預(yù)浸膠帶能夠穩(wěn)定排布在芯模表面，外緣處纏繞角能更小，達(dá)到60.5°，其產(chǎn)品爆破壓強(qiáng)為31.7 MPa，PV/W值為20.44 km。

[1] 哈爾濱玻璃鋼研究院. 纖維纏繞技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[2] 蔣喜志, 費(fèi)春東, 馬國(guó)峰, 等. 環(huán)形容器的纖維纏繞工藝[J]. 纖維復(fù)合材料, 2005, (1): 41-43.

[3] 陳汝訓(xùn). 纖維纏繞圓環(huán)壓力容器設(shè)計(jì)分析[J]. 固體火箭技術(shù), 2006, 29(6): 446-450.

[4] 李翠云, 李輔安, 張強(qiáng). 環(huán)形容器纏繞線(xiàn)型設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真研究[J]. 航天制造技術(shù), 2005, (6): 22-25.

Development of winding toroidal pressure vessel used by the domestic aramid-Ⅲ f ber

YUAN Hai-gen, WANG Xi-zhan, WANG Jian, JIANG Li-ping
( Xi'an Aerospace Composites Research Institute, Xi'an 710025 China )

The molding technology of inner lining and structure layer used by the domestic aramid-Ⅲ fiber for the composites toroidal pressure vessel had been studied on the basic of the filament winding principle，and the proper molding technology was explored. The results indicated that the dressing outside surface of the heat insulating mandrel which made up of acrylonitrile butadiene rubber in the surface of the sand mandrel and treated by high temperature curing was fit for winding; the burst pressure of the toroidal pressure vessel which winded by the domestic aramid-Ⅲ fiber prepreg was reached to 31.7MPa and its vessel characteristic coefficient was reached 20.44 kilometer.

domestic aramid-Ⅲ fiber; toroidal pressure vessel; filament-wound; vessel characteristic coefficient; development

V258; V261.99

: A

: 1007-9815（2016）03-0034-04

定稿日期: 2016-06-30

袁海根（1981-），男，江西豐城人，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型工藝研究，(電子信箱)yhg331109 @126.com。