一種纖維纏繞複合材料壓力容器的製作方法
2023-06-15 10:52:21
專利名稱：一種纖維纏繞複合材料壓力容器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓力容器，特別是一種纖維纏繞複合材料壓力容器。
技術背景複合材料壓力容器具有重量輕、耐腐蝕性好、可設計性強、失效時無殺傷性碎片產生等許多優點，已廣泛應用於航空航天、船舶、汽車、搶險救生、醫療衛生等諸多領域。
複合材料壓力容器的製作工藝一般是用浸漬樹脂的纖維在其容器內襯上進行縱環向纏繞，然後固化成型。內襯的設置是在纏繞過程中起芯模和骨架的作用。外層的複合材料層是內壓載荷的主要承受層，它是由連續纖維經縱向或環向交替纏繞成型，固化後成為一種多層的各向異性結構。因此，複合材料層的層間行為是影響其整體性能發揮的關鍵。早在20世紀40年代，複合材料壓力容器首次在美國軍用飛機上使用；隨後，國內外許多製造公司，對其進行了大量研究和開發工作，較好的解決了複合材料壓力容器設計製作的技術問題。但是，隨著壓力容器工作壓力和使用要求的提高，目前的設計製造方法較難發揮複合材料層的整體性能，纖維利用率低，其層間效果差、層與層之間協同效應低，易發生移位或鬆動，導致壓力容器的耐壓強度低，耐疲勞及耐爆破性能差，無法滿足先進複合材料壓力容器耐高壓的技術要求。
實用新型內容為了提高壓力容器內襯所覆著的纖維纏繞複合材料層的層間效果，解決壓力容器整體性能發揮不好的問題，本實用新型的目的是提供一種耐壓強度高、疲勞及爆破性能優異的帶有層間結構的複合材料壓力容器。
為了實現上述目的，本實用新型採用了以下技術方案一種帶有層間結構的纖維纏繞複合材料壓力容器，它包括內襯、纖維纏繞複合材料層及介質進出口，其特徵在於所述內襯與所述纖維纏繞複合材料層之間鋪敷有變形協調層。
所述纖維纏繞複合材料層為多層，所述變形協調層夾敷於纖維纏繞複合材料層與層之間。
所述變形協調層為高分子膠膜層，其高分子膠膜層厚度為0.1-2.0mm。
所述纖維複合材料層為纖維複合材料在所述內襯上以連續縱向及環向交替纏繞的纏繞方式組成。
所述內襯為球形、柱形、環形或其他迴轉形狀。所述內襯選用金屬或非金屬材質製造。
所述介質進出口至少設定一個，其與所述壓力容器內外相連通。
本實用新型採用以上技術方案，其優點如下1、纖維纏繞複合材料壓力容器由內襯、複合材料層和變型協調層組成，變型協調層採用高分子膠膜，使纖維纏繞複合材料層呈現多層的各向異性結構能夠有機的粘結為一體。因而可以最大限度的發揮複合材料各層的協同效應，顯著提高其層間的應力-應變傳遞效率，降低負面效應的影響。
2、高性能複合材料(如，碳纖維複合材料)與金屬內襯的電極電位存在一定的差異，如果壓力容器是在潮溼的環境中工作，存在金屬內襯被電化學腐蝕的危險，通過在金屬內襯和複合材料層間加入協調層不僅可以避免這種情況的發生，而且可以提高金屬內襯和複合材料的粘接效果，改善金屬內襯的受力狀態，提高壓力容器的整體性能。
3、採用在複合材料層間預埋變形協調層將顯著提高纖維纏繞複合材料的層間效果，可有效提高壓力容器的耐疲勞和抗爆破的性能，同時保護了金屬內襯免受電化學腐蝕的危險。
圖1為本實用新型的整體結構示意圖圖2為複合材料層與變形協調層的層狀結構示意圖具體實施方式
本實用新型是針對影響纖維纏繞複合材料壓力容器的關鍵因素提出的，因此，本實用新型對製造高性能纖維纏繞複合材料壓力容器具有非常重要的意義。
如圖1所示，本實用新型的壓力容器以氣瓶為例，它包括內襯1、纖維纏繞複合材料層2、介質進出口3組成，纖維纏繞複合材料層2由縱環向纏繞纖維層21與變形協調層22組成，纖維層21纏繞5mm後時，鋪敷一層變形協調層22，其厚度為0.2mm，再進行第二次纖維層21纏繞，再鋪敷設與層之間鋪覆有變形協調層3組成，在氣瓶一端設有一介質進出口3，介質進出口3將壓力容器內外相連通。
所述壓力容器內襯1起氣密作用，其內襯1的材質為鋁合金材料，縱向及環向纏繞纖維層21是由經雙酚A型環氧樹脂或乙烯基酯樹脂浸漬過的碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維增強材料纏繞至一定厚度形成，纏繞方法採用常規方法，變形協調層22選用高分子膠膜，高分子膠膜為環氧樹脂膠膜，以鋪敷方式形成，其厚度為2mm。
縱環向纏繞纖維層21與變形協調層22的複合層的具體操作為縱環向纏繞纖維層21纏繞於金屬內襯上鋪敷一層高分子環氧樹脂膠膜，0.1mm厚，交替進行環向和縱向纏繞後，停置固化；再鋪敷第二層膠膜0.2mm厚，進行第二次纏繞，再停置固化；至少經三個循環。纖維纏繞複合材料層由16層縱向，20層環向循環纏繞形成，總厚度為15mm。
壓力容器的形狀可以根據需要，設定為球形、柱形、環形或其他迴轉體。
所述內襯材料還可以選用橡膠或者塑料材料。
本實用新型的工作原理纖維纏繞複合材料外層的複合材料層呈現多層的各向異性結構。因此，最大限度的發揮複合材料各層的協同效應是製造高性能複合材料氣瓶的關鍵，在複合材料層間加入起變形協調作用的結構層後，將提高層間的應力-應變傳遞效率，降低負面效應的影響。
同時，高性能複合材料(如，碳纖維複合材料)與金屬內襯的電極電位存在一定的差異，如果氣瓶是在潮溼的環境中工作，存在金屬內襯被電化學腐蝕的危險。通過在金屬內襯和複合材料層間加入協調層不僅可以避免這種情況的發生，而且可以提高金屬內襯和複合材料的粘接效果，改善金屬內襯的受力狀態，提高氣瓶的整體性能。
複合材料壓力容器是由金屬內襯層和複合材料結構層之間加入了起變形協調作用的結構層組成，其中纖維縱環向纏繞複合材料是非常重要的一個環節，它直接影響到整個複合材料氣瓶的性能發揮，本實用新型在實施過程中採用了分層固化的工藝，並且在層間加入了起層間變形協調作用的結構層。
分層固化工藝是在內襯上先纏繞一定厚度的纏繞層，使其固化，冷卻到室溫打磨再纏繞第二層。依次循環直至纏繞滿足強度設計要求的層數為止。變形協調層就是在分層的間隙鋪覆一種特殊的高分子膠膜，形成一種夾層結構。
權利要求1.一種纖維纏繞複合材料壓力容器，它包括內襯、纖維纏繞複合材料層及介質進出口，其特徵在於所述內襯與所述纖維纏繞複合材料層之間鋪敷有變形協調層。
2.根據權利要求1所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述纖維纏繞複合材料層為多層，所述變形協調層夾敷於所述纖維纏繞複合材料層的層與層之間。
3.根據權利要求1或2所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述變形協調層為高分子膠膜層。
4.根據權利要求3所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述高分子膠膜層厚度為0.1-2.0mm。
5.根據權利要求1所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述內襯為球形、柱形或環形狀。
6.根據權利要求1或2或5所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述纖維複合材料層為所述纖維複合材料在所述內襯上以縱向及環向交替連續纏繞組成。
7.根據權利要求1所述纖維纏繞複合材料壓力容器，其特徵在於所述介質進出口至少設定一個，其進出口與所述壓力容器內外相連通。
專利摘要本實用新型公開了一種帶有層間結構的纖維纏繞複合材料壓力容器，主要解決壓力容器整體性能發揮不好的問題，其目的是提供一種耐壓強度高、疲勞及爆破性能優異的纖維纏繞複合材料壓力容器，它包括纖維纏繞複合材料層及壓力容器內襯，其特徵在於壓力容器內襯與所述纖維纏繞複合材料層之間以及纖維纏繞複合材料的層與層之間均鋪敷有變形協調層。本實用新型具有質量輕、製造成本低、生產周期短、質量穩定、耐疲勞、防爆性能好等優點。它即使破壞也不會產生出大量殺傷性碎片。
文檔編號F17C1/00GK2649929SQ0328259
公開日2004年10月20日 申請日期2003年9月30日 優先權日2003年9月30日
發明者李新華, 薛忠民, 王浩, 肖文剛, 黃再滿 申請人:中材科技股份有限公司