高性能壓力容器及壓力容器用碳纖維的製作方法
2023-06-10 10:38:16
專利名稱：高性能壓力容器及壓力容器用碳纖維的製作方法
技術領域：
本發明涉及用作高壓氣體用儲存容器等的壓力容器以及用於該容器的碳纖維。
本申請針對2003年8月28日申請的日本國專利申請第2003-305228號主張優先權，在此引用其內容。
背景技術：
以往，作為高壓氣體的儲存容器，一般使用鋼鐵製的容器。
但是，由於鋼鐵製的儲存容器的重量大，移動、運輸等時需要巨大的勞力。
例如，對於使用氣體燃料的汽車，為了降低車輛的重量，抑制燃料消耗量，正在謀求燃料儲存容器的輕量化。
在這種情況下，用高壓氣體的儲存容器代替以往的鋼鐵製，正在逐漸使用具有由強化纖維增強了樹脂、金屬制的襯材(容器本體)的複合材料的壓力容器。這種具有纖維強化複合材料的壓力容器可以提高填充壓力，並且使輕量化成為可能。
在製造具有該纖維強化複合材料的壓力容器的過程中，作為卷繞強化纖維用的代表性方法，有長纖維卷繞法(以下稱為FW法)。
該方法是將浸透了樹脂的連續強化纖維卷繞在襯材(容器本體)上，隨後通過使樹脂固化來製造具有纖維強化複合材料的壓力容器的方法。
通過採用該FW方法，可以容易地製造壓力容器。但是，在製造例如破裂壓力(破壞壓力)為超過65MPa的高壓的壓力容器時，有強化纖維強度體現率降低的傾向。為此，作為對策需要卷繞厚的強化纖維，其結果存在容器重量變大的問題。
因此，在特開平8-285189號公報中，提出使用了拉伸強度大於等於5500MPa的碳纖維的壓力容器。對於該壓力容器，為了獲得高的填充壓力，使用了具有高強度的強化纖維。另外，在特開平9-280496號公報中，公開了通過使用彈性模量為200GPa～350GPa、且強度為4.5GPa～10GPa的碳纖維，謀求高性能化的容器。
但是，上述的現有壓力容器雖然可以獲得充分的破壞壓力，但是可以舉出如下所述的其他問題。
作為壓力容器所要求的特性，不僅破壞特性，而且疲勞特性也重要。
特別是使用了具有鋁等金屬的襯材(容器本體)的壓力容器，通過在高壓下進行自緊處理，可以對襯材產生壓縮應力。通過進行自緊處理使該壓縮應力處在襯材的線性特性範圍內，可以提高疲勞特性。但是，重視對襯材產生的壓縮應力而設計出的壓力容器時，有時要在必要以上降低破壞壓力。另一方面，重視破壞壓力而設計出的壓力容器時，變得不能加上必要的壓縮應力。其結果是，為了獲得合適的壓力容器，必須增加強化纖維的使用量，存在容器重量增大等問題。
發明內容
本發明的目的在於提供疲勞特性和破裂特性兩種特性優異、並且輕量的壓力容器以及用於該壓力容器的強化纖維。
本發明為壓力容器，其具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大於等於305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。
根據上述發明，可以提供容器特性不偏的，而是疲勞特性和破裂特性兩種特性均優異並且輕量的壓力容器。
上述強化纖維的絲束彈性模量可以為305GPa～420GPa。
上述容器本體可以為金屬制。
填充壓力可以大於等於30MPa。
本發明為壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大於等於305GPa，並且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
根據上述發明，通過在容器本體的表面形成具有浸透樹脂的纖維的纖維強化樹脂層，可以提供疲勞特性和破裂特性兩種特性均優異並且輕量的壓力容器。
絲束彈性模量可以為305GPa～420GPa。
壓力容器用碳纖維可以具有多根平均直徑小於等於6μm的單纖維。
壓力容器用碳纖維可以具有多根在表面具有最高部和最低部的高低差大於等於40nm褶皺的單纖維。
圖1是表示本發明壓力容器一實施例的部分截面圖。
圖2A是表示壓力容器的製造方法中形成纖維強化樹脂層工序的模式圖。
圖2B是表示壓力容器的製造方法中使樹脂層固化工序的模式圖。
圖2C是表示壓力容器的製造方法中自緊處理工序的模式圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，對本發明的優選的實施例進行說明。但是，本發明並不限定於以下的各實施例，例如也可以適宜組合這些實施例的各結構要素。
本發明的壓力容器具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層。纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，作為該強化纖維使用特定的強化纖維。所謂特定的強化纖維是滿足絲束彈性模量大於等於305GPa、拉伸伸長率為1.45～1.70％的纖維。
強化纖維的絲束彈性模量小於305GPa時，為了獲得足夠的剛性，需要增大強化纖維的卷繞量，其結果是，形成厚壁的容器，容器重量變大。
強化纖維的拉伸伸長率小於1.45％時，由於強化纖維沒有足夠的強度，仍然必須增大強化纖維的卷繞量。因此，由於不得不厚壁化，結果形成具有重量大的過剩疲勞特性的容器。另一方面，強化纖維的拉伸伸長率大於1.70％時，強化纖維的強度是足夠的，相反，由於沒有與該強度相稱的足夠的彈性模量，從而對於纖維強化樹脂層，剛性要比其他特性過高，結果形成破裂特性過剩的容器。
關於強化纖維的絲束彈性模量的上限，可以優選小於等於420GPa。對於絲束彈性模量大於420GPa的強化纖維，即使減少卷繞在容器本體上的複合材料的量，也可以獲得足夠的剛性，因此可以得到輕量的壓力容器。但是，得到的薄壁的壓力容器存在衝擊性能、火焰暴露性能差的問題。進而，與強化纖維中浸透的樹脂(基質樹脂)的界面粘接性變得不充分，壓力容器的性能(耐壓性)降低。
對於使用了金屬襯材的高壓容器或者填充壓力大於等於30MPa的高壓容器，這樣的強化纖維的性能平衡變得特別重要。這是由於，對於使用金屬襯材、填充壓力大於等於30MPa的高壓容器，疲勞性能和破裂性能的平衡被破壞，容易產生僅某一方成為過剩性能，其結果是，為了滿足另一方的特性，需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而壓力容器的重量增加。
從而，本發明中，考慮到強化纖維的彈性模量和強度的平衡，使用具有足夠強度和與該強度相稱的彈性模量的強化纖維。通過在容器本體上形成具有這樣的強化纖維的纖維強化樹脂層，壓力容器的破裂特性、疲勞特性等特性平衡良好，並且強化纖維的使用量被抑制到最小限度，抑制了以往由壁厚引起的重量增加，可以提供浪費少的壓力容器。
作為這樣的壓力容器用強化纖維，其是絲束彈性模量大於等於305GPa、且拉伸伸長率為1.45～1.70％的纖維，例如可舉出具有這些特性的碳纖維、硼纖維等。其中優選碳纖維。優選絲束彈性模量大於等於310GPa，更優選大於等於320GPa。拉伸伸長率優選為1.50％～1.70％，更優選為1.55％～1.70％。
進而更優選為絲束彈性模量小於等於420GPa的碳纖維。特別是絲束彈性模量超過420GPa的碳纖維，在製造時需要超過2000℃的碳化溫度。其結果是，壓縮強度、剪切強度等容易變小，並且作為複合材料的各向異性變大，容易造成壓力容器的機械特性降低。進而也容易產生作為纖維的處理性差，在長纖維卷繞法等成型工序中的作業性變差等問題。
絲束彈性模量的上限值優選為400GPa，更優選380GPa。
進而，構成碳纖維的單纖維更優選是平均直徑小於等於6μm的單纖維。平均直徑越小的前驅體纖維，彈性模量的體現性越良好，其結果是，即使在製造相同絲束彈性模量的碳纖維束時，也可以通過更低的碳化溫度進行製造。碳化溫度低的情況，體現出高的絲束強度，並且剪切強度、壓縮強度也高，可以製造機械特性優異的碳纖維束。因此，纖維直徑細的碳纖維更適宜，特別是平均直徑小於等於6μm的碳纖維，進而優選小於等於5.5μm的碳纖維。直徑的下限沒有特別限定，但是由於纖維直徑越細，前驅體纖維的紡絲性越差，因此優選大於等於3μm。
通常，碳纖維形成1000～50000根左右的平均直徑5～8μm左右的單纖維匯集的形態。
構成碳纖維的各單纖維更優選在其表面上具有最高部和最低部的高低差大於等於40nm的多個褶皺。由於該表面的褶皺，碳纖維和基質樹脂的潤溼性提高，進而界面的粘接變得更加牢固。其結果是，可以穩定地獲得具有優異的機械特性的壓力容器，並可以製造品質穩定的壓力容器。
進而，該褶皺的最高部和最低部的高低差更優選小於等於單纖維直徑的10％。
存在於碳纖維的單纖維表面的褶皺的深度定義為在圓周方向上長度2μm×纖維軸方向上長度1μm的範圍內的最高部和最低部的高低差。所謂單纖維的表面的褶皺是在某方向上具有大於等於1μm長度的凹凸的形態。另外，該方向沒有特別限定，可以平行或者垂直於纖維軸方向，或者與纖維軸方向具有一定角度。在通過一般的碳纖維束的製造方法而得到的通常的碳纖維表面，存在與纖維軸方向基本平行的褶皺。
該褶皺的高低差可以基於使用掃描型原子力顯微鏡(AFM)測定的單纖維的表面形狀的觀察結果如下進行計測。
將數根碳纖維束的單纖維放在樣品臺上，固定兩端，進而在周圍塗布道蒂特(dotite)，形成測定樣品。對於AFM使用設置有在頂端形成探針的氮化矽制懸臂的原子力顯微鏡(セイコ一インスツルメンツ(株)製造，SPI3700/SPA-300(商品名))。用AFM模式在單纖維的纖維軸方向遍及1μm長度掃描探針，在單纖維的圓周方向長度2～2.5μm上，一點一點挪動的同時反覆進行該探針的掃描。由此測定單纖維表面的圓周方向上2～2.5μm、纖維軸方向上1μm範圍的表面形狀。用二維傅立葉變換對得到的圖像除去低頻成分後，進行逆變換。這樣由除去了單纖維曲率的截面的平面圖像，可以讀取在圓周方向的長度2μm×纖維軸方向的長度1μm的範圍最高部和最低部的高低差。
圖1是表示本發明壓力容器一實施例的部分截面圖。
圖1所示的壓力容器1中，在大致圓筒形的容器本體2上設置了具有上述纖維強化樹脂的纖維強化樹脂層10、12。在該例子中，除了容器本體2的開口部4以外的全部區域，即、形成纖維強化樹脂層10、12以覆蓋胴體部3和底部5。
對於容器本體2，只要是具有內部填充的氣體難以洩漏的材質的本體，就沒有特別限制，優選具有塑料或金屬的本體。作為塑料可舉出例如高密度聚乙烯，作為金屬可舉出例如鋁合金、鎂合金、鐵等。特別是鋁合金適宜於容器本體2的輕量化。
纖維強化樹脂層可以是單層，但是優選像本例那樣形成多層結構。
在此，形成如下2層結構在卷繞纖維強化樹脂使纖維的取向方向為容器本體2的圓周方向而所形成的纖維強化樹脂層(圓周方向取向層)10上，具有卷繞纖維強化樹脂使纖維取向方向為容器本體2的長軸方向而所形成的纖維強化樹脂(軸方向取向層)12。
在本發明中，纖維強化樹脂層並不限於圖示的結構，也可以形成圓周方向取向層和軸方向取向層在容器本體上交替層積的3層或3層以上的多層結構。
特別優選使纖維強化樹脂層的最外層為圓周方向取向層，由此可以得到良好的外觀狀況。各層的數量及厚度可以根據容器的用途、內容物的種類、大小等任意選擇。
作為浸透強化纖維的樹脂(基質樹脂)，只要是通常用於纖維強化樹脂層的樹脂，就沒有特別限制，例如可舉出環氧樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂、丙烯酸類樹脂等。
針對製造上述壓力容器1的方法的一例進行說明。
(1)纖維強化樹脂層的形成如圖2A所示，使儲存在貯槽18內的基質樹脂浸透強化纖維16，得到纖維強化樹脂14。
接著，使容器本體2在圓周方向上旋轉，同時將纖維強化樹脂14卷繞在容器本體2上。由此形成圓周方向取向層10使纖維強化樹脂14的纖維取向方向為容器本體2的圓周方向。
接著，形成軸方向取向層12。在形成軸方向取向層12時，只要使纖維強化樹脂14的纖維取向方向為容器本體2的長軸方向即可。由此得到具有層積了圓周方向取向層10和軸方向取向層12的多層結構的纖維強化樹脂層的中間體容器20。
另外，要在軸方向取向層12上進一步形成層，重複上述方法即可。
(2)樹脂層的固化接著，如圖2B所示，在加熱爐22內加熱中間體容器20，使纖維強化樹脂層10、12固化。
加熱溫度優選為40～180℃。如果加熱溫度低於上述範圍或者高於上述範圍，則得到的壓力容器1的疲勞特性和破裂特性會變差。
(3)自緊處理隨後，如圖2C所示，使用自緊處理裝置24進行自緊處理，使自緊後的容器表面的圓周方向的壓縮應力為容器屈服點應力的95％左右。在此，所謂自緊處理是在提高中間體容器20的容器內壓(此時的容器內壓的最大值稱為自緊處理壓力)，使襯材(容器本體2)永久變形後，通過降低容器內壓，利用纖維強化樹脂層10、12的剛性對容器本體2賦予壓縮應力的處理。
這樣，可以製造壓力容器。
實施例以下，示出具體例來詳細地說明本發明的壓力容器。
強化纖維的評價方法如下所述。
(絲束強度、彈性模量、拉伸伸長率)根據JIS R7601進行評價。
拉伸伸長率由絲束強度除以絲束彈性模量來計算。
(碳纖維束的單纖維截面的平均直徑)首先使用纖維束的細度、密度及纖維數(單纖維根數)，由下面的式(1)計算出碳纖維束的單纖維截面的平均截面積。
在此，所謂纖維束的細度是碳纖維束的每單位長度的質量，根據JISR7601進行測定。
纖維束的密度根據JIS R7601通過密度梯度管法進行測定。
式(1)Aav=1nt10-3]]>Aav單纖維的平均截面積n構成纖維束的單纖維根數t細度(Tex)ρ密度(g/cm3)隨後，由得到的單纖維的平均截面積，假定截面形狀為正圓而計算出平均直徑。
(碳纖維束的單纖維表面的褶皺的深度)存在於碳纖維束的單纖維表面的褶皺的深度定義為單纖維表面中在圓周方向上長度2μm×纖維軸方向上長度1μm的範圍最高部和最低部的高低差。高低差基於使用掃描型原子力顯微鏡(AFM)在單纖維的表面掃描探針而得到的表面形狀的測定結果來進行測定。具體如下所述。
將數根碳纖維束的單纖維放在樣品臺上，固定兩端，進而在周圍塗布道蒂特(dotite)，形成測定樣品。對於AFM使用設置有在頂端形成探針的氮化矽制懸臂的原子力顯微鏡(セイコ一インスツルメンツ(株)製造，SPI3700/SPA-300(商品名))。用AFM模式在單纖維的纖維軸方向遍及1μm長度掃描探針，在單纖維的圓周方向長度2～2.5μm上，一點一點挪動的同時反覆進行該探針的掃描。由此測定單纖維表面的圓周方向上2～2.5μm、纖維軸方向上1μm範圍的表面形狀。用二維傅立葉變換對得到的圖像除去低頻成分後，進行逆變換。這樣由除去了單纖維曲率的截面的平面圖像，讀取在圓周方向的長度2μm×纖維軸方向的長度1μm範圍的最高部和最低部的高低差來進行評價。
(1)強化纖維準備以下所示的強化纖維(i)～(viii)。
強化纖維(i)單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為5250MPa，絲束彈性模量為350GPa，伸長率為1.50％。並且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(ii)單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為4960MPa，絲束彈性模量為320GPa，伸長率為1.55％。並且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(iii)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維MR35E-12K。該碳纖維的單纖維直徑為7μm，纖維數為12000根，絲束強度為4410MPa，絲束彈性模量為295GPa，伸長率為1.49％。並且，褶皺深度為100nm。
強化纖維(iv)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維HR40-12K。該碳纖維的單纖維直徑為6μm，纖維數為12000根，絲束強度為4610MPa，絲束彈性模量為390GPa，伸長率為1.18％。並且，褶皺深度為20nm。
強化纖維(v)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維MR60H-24K。該碳纖維的單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為5800MPa，絲束彈性模量為290GPa，伸長率為2.00％。並且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(vi)單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為5220MPa，絲束彈性模量為360GPa，伸長率為1.45％。並且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(vii)碳纖維的單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為5250MPa，絲束彈性模量為320GPa，伸長率為1.64％。並且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(viii)單纖維直徑約為5μm，纖維數為24000根，絲束強度為5270MPa，絲束彈性模量為310GPa，伸長率為1.70％。並且，褶皺深度為80nm。
在此，如下所述製造強化纖維(i)、強化纖維(ii)、強化纖維(vi)、強化纖維(vii)及強化纖維(viii)。
將丙烯腈系聚合物溶解在二甲基乙醯胺中而調製紡絲原液，通過將該紡絲原液如下所述進行溼式紡絲，製成碳纖維前驅體纖維束。首先，在具有濃度50～70質量％、溫度30～50℃的二甲基乙醯胺水溶液的第一凝固浴中，吐出紡絲原液，製作凝固絲。接著，在具有濃度50～70質量％、溫度30～50℃的二甲基乙醯胺水溶液的第二凝固浴中，對凝固絲實施規定量的拉伸，進而進行溼熱拉伸，使長度為拉伸前的3.5倍或3.5倍以上，從而獲得碳纖維前驅體纖維束。
碳纖維前驅體纖維束的截面平均直徑、褶皺的深度根據改變凝固浴濃度和溫度、還有拉伸條件來調整。另外，為了維持紡絲工序中的穩定性，可以附著矽系油劑。
接著，將多根前驅體纖維束以一致平行的狀態導入耐火化爐中，在大於等於-2.0％的伸長率下(收縮大於等於2.0％的條件下)，通過將加熱到200～300℃的空氣等氧化性氣體吹附到前驅體纖維束上，耐火化前驅體纖維束，得到耐火纖維束。接著，將該耐火纖維束導入碳化爐中，在惰性氛圍中、於1300～2000℃的溫度下，並在伸長率大於等於-5.0％的高伸長率下進行碳化，從而得到碳纖維束。在此，製造強化纖維(i)、強化纖維(ii)、強化纖維(vi)、強化纖維(vii)及強化纖維(viii)時的碳化溫度分別為1800℃、1550℃、1950℃、1600℃和1550℃。
為了提高與樹脂的親和性，這些碳纖維束可以實施溼式電解氧化處理，在碳纖維束表面導入含氧官能團。進而，在碳纖維束上附著1.0質量％的表1所示組成的環氧系上膠劑後，卷繞在卷絲管上。
表1
(2)基質樹脂使用三菱麗陽株式會社制環氧樹脂「#700B」(組成Ep 828/XN1045/BYK-A506)。
(3)容器本體使用容量9升的鋁製容器本體(全長540mm、胴體部長415mm、胴體部外徑163mm、在胴體部中央的壁厚3mm)。
實施例1按照以下的步驟製作常用填充壓力70MPa的壓力容器。
如圖2A所示，使基質樹脂浸透強化纖維(i)(伸長率1.50％、彈性模量350GPa)，得到纖維強化樹脂14。使用Entec Composite Machines公司製造的長纖維卷繞機將強化纖維樹脂14卷繞在容器本體2上，形成5層結構的纖維強化樹脂層。
纖維強化樹脂層從內側(容器本體側)向外側(外方側)具有圓周方向取向層(C)/軸方向取向層(H)/圓周方向取向層(C)/軸方向取向層(H)/圓周方向取向層(C)這5層結構。
在得到的中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度結果為約13mm。
接著，如圖2B所示，將中間體容器20放入加熱爐22中，以1℃/min使爐內的溫度從室溫升至135℃。
確認纖維強化樹脂層的表面溫度達到135℃後，在該溫度下放置1小時。
隨後，以1℃/min使爐內溫度下降至60℃，從加熱爐22中取出中間體容器20，將該中間體容器20放冷至室溫。纖維強化樹脂層的質量為5612g。
隨後，如圖2C所示，使用自緊處理裝置24，以自緊處理壓力158MPa對中間體容器20進行自緊處理，對容器本體20施加壓縮應力，得到壓力容器1。
針對得到的壓力容器，評價破裂特性、疲勞特性、輕量性。
(1)破壞壓力試驗(破裂特性)將壓力容器固定在水壓破壞試驗機(三菱麗陽株式會社制)上，在升壓速度小於等於1.4MPa下對壓力容器施加水壓，測定壓力容器破裂時的壓力。
一般來說，作為常用填充壓力70MPa的填充容器所要求的容器性能，規格上定為破裂壓力(破壞壓力)大於等於164.5MPa，考慮到安全性，破裂壓力(破壞壓力)要求大於等於175MPa。
(2)疲勞特性試驗將壓力容器固定在水壓循環試驗機(三菱麗陽株式會社制)上，使壓力容器的內壓從大氣壓升至常用填充壓力的5/3倍的壓力後，通過以約2次/min的速度反覆進行回到大氣壓的壓力變動操作，使壓力容器破裂，測定直至破裂為止的壓力變動操作的重複次數。
一般來說，作為常用填充壓力70MPa的填充容器所要求的容器性能，規格上定為疲勞特性試驗中大於等於11250次，考慮到安全性，疲勞特性要求大於等於12500次。
(3)輕量性測定各壓力容器的纖維強化樹脂層的質量。
得到的壓力容器1的破壞壓力(BP)為211MPa。該數值相當於常用填充壓力(FP)的約3倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器1破裂為止的壓力變動操作的重複次數為16190次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
可以知道，該實施例1的壓力容器1在破裂特性、疲勞特性方面得到優異的結果，還具有可以進一步輕量化的可能性。
實施例2按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(ii)(伸長率1.64％、彈性模量320GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5633g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為198MPa。該數值相當於常用填充壓力(FP)的約2.8倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂為止的壓力變動操作的重複次數為13308次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。並且，雖然是一些但是還存在輕量化的餘地。
實施例3
按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(vi)(伸長率1.45％、絲束彈性模量360GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5580g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
得到的壓力容器1的破壞壓力(BP)為208MPa。該數值相當於常用填充壓力(FP)的約3倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器1破裂的壓力變動操作的重複次數為18310次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
可以知道，該實施例1的壓力容器1在破裂特性、疲勞特性方面得到優異的結果，還具有可以進一步輕量化的可能性。
實施例4按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(vii)(伸長率1.64％、彈性模量320GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5633g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為206MPa。該數值相當於填充壓力的約2.9倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重複次數為13500次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但是與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。並且，雖然是一些但是還存在輕量化的餘地。
實施例5按照以下的步驟製作常用填充壓力70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(viii)(伸長率1.70％、彈性模量310GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5640g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為207MPa。該數值相當於常用填充壓力的約3倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重複次數為12600次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。
比較例1按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。該比較例中，使用具有理想的伸長率、但彈性模量對於壓力容器有些低的強化纖維。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(iii)(伸長率1.5％、彈性模量295GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5648g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為130MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為179MPa。該數值相當於填充壓力的約2.56倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重複次數為10533次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，與一般而言的該類別的容器特性相比，規格上可以滿足，但考慮到安全率時，在疲勞特性方面不可否認有些不足。
比較例2按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(iv)(伸長率1.20％、彈性模量390GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5640g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為125MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為181MPa。該數值相當於填充壓力的約2.6倍。此時的破裂狀態為發生在胴體部中央部，襯材自身僅在胴體部中央附近開孔，但外側的強化纖維樹脂層分裂成2份或2份以上的破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重複次數為19821次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了彈性模量高的強化纖維的例子。與一般的這種常用填充壓力的容器特性比較時，可以認為滿足考慮到容器特性的規格值、安全性時所要求的破裂特性和疲勞特性。但是疲勞特性必要以上充分的另一面，由於自緊處理壓力和破壞壓力的差小，通過強化纖維的強度的偏移，在自緊處理中可能發生破裂。因此，不能認為強化纖維的強度和彈性模量的平衡是充分的。
比較例3按照以下的步驟製作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質樹脂浸透強化纖維(v)(伸長率2.0％、彈性模量290GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結構。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質量為5652g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為125MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為228MPa。該數值相當於常用填充壓力的約3.3倍。此時的破裂狀態均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重複次數為9815次。此時的破裂位置發生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了強度比較高的強化纖維的例子。與一般的這種常用填充壓力的容器特性比較時，破裂特性可以充分滿足容器特性的規格值，但是對於疲勞特性並不滿足。因此，不能認為強化纖維的強度和彈性模量的平衡是充分的。
上述實施例和比較例的結果如表2所示。
表2
實施例1、2的壓力容器，破裂特性和疲勞特性的平衡優異，彈性模量高、進一步輕量化的可能性被確認。
與此相反，強化纖維即使具有理想的伸長率，如果沒有充分的彈性模量，則為了滿足破裂特性、疲勞特性，需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而存在重量增加的問題(比較例1)。
另一方面，即使滿足一般的破裂特性或者疲勞特性，由於破裂特性和疲勞特性的平衡並非良好，為了滿足一方的特性，則需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而存在重量增加的問題(比較例2、3)。
產業上利用的可能性根據本發明，可以實現高性能的壓力容器的輕量化，特別適合於汽車等各種運輸機器的燃料箱。
權利要求
1.一種壓力容器，具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大於等於305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。
2.根據權利要求1所述的壓力容器，其中，所述強化纖維的絲束彈性模量為305GPa～420GPa。
3.根據權利要求1所述的壓力容器，其中，所述容器本體為金屬制。
4.根據權利要求1所述的壓力容器，其中，填充壓力大於等於30MPa。
5.一種壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大於等於305GPa，並且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
6.根據權利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，絲束彈性模量為305GPa～420GPa。
7.根據權利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，具有多根平均直徑小於等於6μm的單纖維。
8.根據權利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，具有多根在表面具有最高部和最低部的高低差大於等於40nm褶皺的單纖維。
全文摘要
本發明涉及壓力容器和壓力容器用碳纖維。所述壓力容器具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大於等於305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。所述壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大於等於305GPa，並且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
文檔編號F17C1/16GK1839278SQ200480024239
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月26日 優先權日2003年8月28日
發明者杉浦直樹, 長束悟志, 竹本秀博, 松本誠, 杉浦正行 申請人:三菱麗陽株式會社