一种在超低温下具有低导热高保温的复合材料筒体及制备方法与流程

本发明涉及一种在超低温下具有低导热高保温的复合材料筒体及制备方法，属于装备材料领域。

背景技术：

1、随着星际旅行与深空探测概念的兴起，进一步提升运载火箭的结构效率成为航天领域的热点话题，低温燃料贮箱作为推进系统中重量和体积占比最大的部件，其轻质化水平是衡量运载火箭结构效率的核心因素。研究表明，复合材料相比于金属材料，具有更高的比强度和比模量，同时兼具优良的抗疲劳性能。复合材料低温燃料贮箱能够实现比目前的铝合金制贮箱低20％-40％的减重目标，并且随着贮箱尺寸增大，减重效果愈加明显。为了满足贮箱的低温要求，需要选择能够在极低温下保持良好性能的复合材料。

2、目前，使用轻质高强的复合材料代替传统材料来降低航天运载器的重量从而降低生产成本是航天材料研究的重点之一。其中，低温复合材料贮箱的材料和制造工艺起到决定性作用，与传统金属材料贮箱不同，低温复合材料贮箱需要重点关注因低温下复合材料裂纹扩展而导致的贮箱渗漏问题，以及考虑合适的结构形式，实现贮箱结构-功能一体化制造。

3、常规筒体的制备方法有缠绕工艺和自动铺丝工艺两种，但是这两种工艺都会出现聚合物基体和增强纤维的热膨胀系数不匹配及液氦液氮泄露的问题，会导致在超低温环境下聚合物基复合材料内部产生较大的热应力，最终使得复合材料内部出现微裂纹。

4、低温贮箱用材料的发展经历了铝镁系合金、铝铜系合金、铝锂系合金等金属材料阶段，再到复合材料壳体-金属内衬贮箱阶段，目前主要的研究方向是发展无内衬复合材料贮箱。为了满足贮箱的低温要求，需要选择能够在极低温下保持良好性能的复合材料。常见的选择包括玻璃纤维增强塑料(gfrp)、碳纤维增强塑料(cfrp)等。但这些材料的耐超低温性能以及在超低温下力学性能较差。

5、此外，大部分高分子材料在液氧环境下受到冲击、碰撞、摩擦等外力作用时，会发生急剧的化学反应，引起烧蚀、燃烧甚至爆炸，表现出与液氧的不相容性。复合材料的液氧相容性与树脂基体的液氧相容性密切相关，树脂的液氧相容性改性是实现液氧贮箱用复合材料制备的基础。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、目前复合材料制备的低温贮箱低温抗渗性能较差；制备的成本较高；液氧相容性较差；

3、低温环境下的微裂纹萌生和扩展从而引发液氦、液氢泄露；耐超低温性能以及在超低温下力学性能较差。

4、[技术方案]

5、为了解决上述至少一个问题，本发明通过一体成型工艺编织得到筒体预制体；采用由环氧树脂、氧化铝粉末及固化剂混合得到混合溶液；之后采用混合溶液浸渍筒体预制体，得到在超低温下具有低导热高保温的复合材料筒体。本发明在环氧树脂中加入了氧化铝粉末，在提升了界面性能的同时降低了由于材料的热膨胀系数不一致所带来的泄露问题，优化了其性能。本发明的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体在常、低温下氦漏率较低且在常、低温下的断裂强度较高，液氧相容性较好。

6、本发明的第一个目的是提供一种制备在超低温下具有低导热高保温的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体的方法，包括如下步骤：

7、(1)一体化编织筒体预制体：

8、先以氧化铝纤维为经纱、纬纱、接结纱，通过四步法三维编织筒体顶部半球体；之后剪断接结纱，经纱和纬纱通过2.5d编织筒体直段部分；最后将最外层的经纱、纬纱与接结纱重新连接，通过四步法三维编织筒体底部半球体，最终得到筒体预制体；

9、(2)将环氧树脂、氧化铝粉末、固化剂混合，得到混合溶液；

10、(3)将筒体预制体浸渍到混合溶液中，取出后固化，采用法兰对筒体预制体的顶部和底部端口进行密封，得到氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体。

11、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的氧化铝纤维的直径为4-30μm。

12、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的一体化编织的方式为：

13、筒体顶部半球体采用四步法三维编织，氧化铝纤维的体积分数由68-72％下降到52-55％，编织角由外向内逐层递减4-8°；

14、筒体直段部分采用2.5d编织，氧化铝纤维的体积分数固定为68％进行编织；

15、筒体底部半球体采用四步法三维编织，氧化铝纤维的体积分数由52-55％上升到68-72％，编织角由外向内逐层递增4-8°，最终得到筒体预制体。

16、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中法兰包括法兰盘、螺栓、密封圈和基座；法兰盘通过螺栓与基座相连；筒体基座为带有凹槽的圆环结构，上部开有凹槽，凹槽中有密封圈，所述的密封圈采用聚四氟乙烯材质，密封圈上部突出部位与法兰盘直接相接以实现密封。

17、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中氧化铝粉末粒径为8-12μm。

18、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中环氧树脂、氧化铝粉末及固化剂的质量比为10：2-4：5。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的固化剂为二乙醇胺。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中混合溶液的制备方法如下：

21、将固化剂加入到容器中，将环氧树脂缓慢倒入，在25-35℃、100-500r/min下搅拌2-5min，保证其混合均匀；将氧化铝粉末缓慢加入固化剂与环氧树脂的混合物中，在45-60℃、500-700r/min下搅拌1-2h，以确氧化铝粉末与环氧树脂充分混合，最终得到混合溶液。

22、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中的固化为在140-160℃下固化1.5-2.5h，在260-300℃下固化2.5-3.5h，在200-220℃下固化2.5-3.5h。

23、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的筒体的尺寸为整体长970mm，筒体直径为700mm，筒体直段长度为470mm，筒体厚度为10mm。

24、本发明的第二个目的是提供一种在超低温下具有低导热高保温的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体，采用上述方法制备得到。

25、本发明的第三个目的是提供上述在超低温下具有低导热高保温的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体在77k-273k的温度下的低温燃料贮箱中的应用。

26、本发明的第四个目的是提供一种低温液氦、液氢、液氮贮箱，采用了上述在超低温下具有低导热高保温的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体。

27、本发明的第五个目的是提供上述在超低温下具有低导热高保温的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体在航空航天装备领域中的应用。

28、[有益效果]

29、(1)本发明的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体相比于传统的cfpr与gfpr筒体，在相同的温度条件下热导率较低且随着温度的升高，热导率也逐渐升高并且相对稳定，具有很好的低导热高保温作用，能够有效防止液氮、液氢的泄露，温度恒定、减少能耗。

30、(2)本发明所制备的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体液氧冲击敏感性低于15％，具有良好的液氧相容性。

31、(3)本发明在环氧树脂中加入了氧化铝粉末，在提升了界面性能的同时降低了由于材料的热膨胀系数不一致所带来的泄露问题，优化了其性能。

32、(4)本发明所制备的氧化铝纤维增强树脂复合材料与其他传统的材料相比，其耐超低温性能更强，在超低温环境下具有更好的力学性能。

33、(5)本发明的氧化铝纤维增强树脂基复合材料筒体综合力学性能优异，通过三维预制体成形工艺可实现大型复杂构件预制体一体化近净成形，对提升新一代航空航天装备轻量化、可靠性及机动性等核心指标能起到重要作用。