專利名稱：纖維纏繞復合材料壓力容器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力容器及其制造方法，特別是一種用纖維纏繞復合材料成型的壓力容器及其制造方法。
背景技術：
復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，已廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、搶險救生、醫療衛生等諸多領域。
纖維纏繞復合材料成型的壓力容器，其制作工藝一般采用經樹脂浸漬過的纖維材料在內襯上進行縱向及環向交替連續纏繞，然后固化成型。內襯的設置是在纏繞過程中起芯模和骨架的作用。外層的復合材料層是內壓載荷的主要承受層，由連續纖維經縱向或環向交替纏繞成型，固化后成為一種多層的各向異性結構。因此，復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，復合材料壓力容器首次在美國軍用飛機上使用；隨后，國內外許多制造公司，對其進行了大量研究和開發工作，較好的解決了復合材料壓力容器設計制作的技術問題。但是，隨著壓力容器工作壓力和使用要求的提高，目前的設計制造方法較難發揮復合材料層的整體性能，纖維縱向與環向交替纏繞成型的方式，其層間效果差、層與層之間協同效應低，導致壓力容器的制成品耐壓強度低，耐疲勞及耐爆破性能差，無法滿足先進的復合材料壓力容器耐高壓的技術要求。
發明內容
為了提高纖維纏繞復合材料壓力容器的層間效果，解決壓力容器整體性能發揮不好的問題，本發明的目的是提供一種耐壓強度高、疲勞性能好的覆有層間結構的纖維纏繞復合材料壓力容器。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案一種纖維纏繞復合材料壓力容器，它包括內襯、纖維纏繞復合材料層及介質進出口，介質進出口與所述壓力容器內外相連通；其特征在于所述內襯與所述纖維纏繞復合材料層之間以及纖維纏繞復合材料層與層之間鋪敷有變形協調層。
所述的纖維纏繞復合材料層為多層。
所述變形協調層為高分子膠膜層，其厚度為0.1-2.0mm。
所述高分子膠膜采用環氧樹脂、酚醛樹脂或聚氨酯樹脂中一種。
所述內襯為球形、柱形或環形狀。
所述纖維復合材料層由纖維復合材料在所述內襯上以連續縱向及環向交替纏繞方式構成。
所述介質進出口至少設定一個。
為實現上述目的，本發明同時提供了上述纖維纏繞復合材料壓力容器的制造方法，其特征在于它包括如下步驟1)用金屬或非金屬材料制造內襯；2)在步驟1)成型的內襯上鋪敷變形協調層；3)在步驟2)的變形協調層上制造復合結構層；4)分層固化。
所述步驟3)的復合結構層由纖維纏繞復合材料層與變形協調層交替覆著且至少循環2次制造而成；所述纖維纏繞復合材料層以連續纏繞方式構成。
所述纏繞方式為環向與縱向交替纏繞。
其特征在于所述步驟4)分層固化的具體步驟為1)先將纖維纏繞復合材料層纏繞至一定厚度；2)在步驟1)形成的纖維纏繞復合材料層上鋪敷一層變形協調層；3)將步驟2)冷卻至室溫后，經過打磨后固化；4)依次循環其步驟1)～步驟3)的固化步驟，形成所述分層固化。
上述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，高分子膠膜選用環氧樹脂、酚醛樹脂或聚氨酯樹脂中一種，其厚度為0.1-2.0mm，在纖維纏繞復合材料的層與層之間形成一種夾層。
上述纖維纏繞復合材料的纖維選用高性能復合材料，所述高性能復合材料為碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維等，纖維浸漬樹脂選用聚酯樹脂、環氧樹脂或酚醛樹脂中一種。
本發明采用以上技術方案，其優點如下1、纖維纏繞復合材料壓力容器由金屬內襯、復合材料層和層間結構組成，層間結構采用高分子膠膜，使纖維纏繞復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復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、由于高性能復合材料與金屬內襯的電極電位存在一定的差異，如果氣瓶是在潮濕的環境中工作，存在金屬內襯被電化學腐蝕的危險，通過在金屬內襯和復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復合材料的粘接效果，改善金屬內襯的受力狀態，提高壓力容器，如氣瓶的整體性能。
3、采用在復合材料層間預埋變形協調層將顯著提高纖維纏繞復合材料的層間效果，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為本發明的整體結構示意2為復合材料層與變形協調層的層狀結構示意3為本發明成型工藝流程圖具體實施方式
本發明是針對影響纖維纏繞復合材料壓力容器的整體性能，纖維利用率等關鍵問題提出的，因此，本發明對制造高性能纖維纏繞復合材料壓力容器具有非常重要的意義。
如圖1所示，本發明的纖維纏繞復合材料壓力容器包括內襯1、復合結構層2、變形協調層3，復合結構層2由纖維纏繞復合材料層21與變形協調層22以多層交替重疊的方式形成，在壓力容器一端設有一介質進出口4，介質進出口4將壓力容器內外相連通。
如圖2所示，壓力容器內襯1由金屬或非金屬材料制作，金屬材料選用鋁合金、不銹鋼、鈦合金等；非金屬材料選用尼龍、橡膠或者塑料等，壓力容器的形狀可以根據需要設定為柱形、球形、環形或其它回轉體；在其外表面上鋪覆有層問變形協調層，然后交替進行一定層數的環向和縱向纏繞，該纏繞層經過固化，再鋪覆第二變形協調層，二次重復上述纏繞；以此類推，直至最外一層。
纖維纏繞復合材料層采用經雙酚A型環氧樹脂、乙烯基酯樹脂等浸漬過的纖維增強材料纏繞制作，層間變形協調層選用高分子膠膜，高分子膠膜厚度在0.1-2.0mm之間。
本發明的壓力容器以氣瓶為例對其技術方案作進一步詳細說明實施例一如圖3所示，本發明的制備工藝為1) 采用鋁合金材料制造壓力容器的內襯；2) 將浸漬環氧樹脂的碳纖維以縱、環向連續交替纏繞至上述鋁合金內襯上；3) 根據樹脂的特性決定其固化時間，檢驗成品。
其中纖維的縱環向纏繞復合材料是一關鍵步驟，它直接影響到整個復合材料壓力容器的性能發揮，本發明在實施過程中采用了分層固化的工藝，并且在層間加入了起層間變形協調作用的結構層。
鋁合金內襯采用常規的整體成型或焊接式成型方法制造，其內襯在成型后要經過一定壓力的水壓氣壓檢驗試驗；復合材料層選用高性能的碳纖維作為增強材料；
纖維纏繞復合材料浸漬用的基體材料選用雙酚A型環氧樹脂；層間變形協調層選用環氧樹脂膠膜，膠膜厚度根據其壓力氣瓶的大小確定其厚度，層間變形協調層的厚度為0.1-2.0mm。
纖維纏繞復合材料層具體操作為纖維纏繞復合材料層共纏繞22層環向，16層縱向(經8個循環)，總厚度為10mm，分三次固化成型。纏繞前首先要將鋁內襯表明進行化學處理，并及時鋪敷一層膠膜，然后交替進行環向和縱向纖維連續纏繞，固化后，再鋪敷第二層膠膜，進行的二次纏繞，以后根據壓力容器的厚度要求確定其循環纏繞的層數。具體制造工藝順序為第一步在鋁合金內襯表面鋪敷一層高分子膠膜，厚為0.1mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，再環向2層，縱向2層，最后再環向纏繞2層后，停置固化；將其冷卻至室溫后打磨；第二步鋪敷高分子膠膜，其厚度為0.2mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，再環向2層，縱向2層，環向2層，縱向2層，最后再環向纏繞2層后，停置固化；將其冷卻至室溫后打磨；第三步鋪敷高分子膠膜，其厚度為0.2mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，再環向2層，縱向2層，環向2層，縱向2層，最后再環向纏繞2層后，固化成型。
通過上述工藝，在復合材料氣瓶的筒壁上形成了數層彼此關聯的結構。氣瓶的工作壓力可以達到30MPa。依據GJB392-87《航空用玻璃纖維增強塑料壓力容器》進行試驗，容器的水壓爆破壓力可以達到70MPa以上，疲勞壽命可達10000次。
實施例二如圖3所示，本發明的制備工藝為1)采用尼龍材料制造壓力容器的內襯；2)將浸漬環氧樹脂的碳纖維以縱、環向交替且連續纏繞至上述尼龍內襯上；3)根據樹脂的特性決定其固化時間，檢驗成品。
在復合材料纏繞制作過程中采用了分層固化的工藝，并且在層間加入了起層間變形協調作用的結構層。
尼龍內襯采用常規的成型方法制造，其內襯在成型后要經過一定壓力的水壓氣壓檢驗試驗；復合材料層選用高性能的芳綸纖維作為增強材料；纖維纏繞復合材料浸漬用的基體材料選用乙烯基酯樹脂；層間變形協調層選用環氧樹脂膠膜，膠膜厚度為0.2mm。
纖維纏繞復合材料層具體操作為纖維纏繞復合材料層共纏繞16層環向，10層縱向(經5個循環纏繞)，總厚度為8mm，分2次固化成型。總纏繞前首先在內襯表面鋪敷一層膠膜，然后交替進行環向和縱向纏繞，固化后，再鋪敷第二層膠膜，進行的二次纏繞，根據壓力容器厚度的要求確定其循環次數，。具體制造工藝順序為第一步在尼龍內襯表面鋪敷一層高分子膠膜，厚為0.2mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的碳纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，再環向2層后，停置固化；將其冷卻到室溫后表面稍微打磨；第二步鋪敷高分子膠膜，其厚度為0.2mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的碳纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，再環向2層，縱向2層，環向2層，縱向2層，最后再環向纏繞2層后，停置固化；將其冷卻到室溫后表面稍微打磨；第三步鋪敷高分子膠膜，其厚度為0.2mm，將經過雙酚A型環氧樹脂浸漬的碳纖維復合材料纏繞成層狀，其層狀為環向2層，縱向2層，最后再環向纏繞2層后，固化成型。
通過上述工藝，在復合材料氣瓶的筒壁上形成了數層彼此關聯的結構。氣瓶的工作壓力可以達到30MPa。依據GJB392-87《航空用玻璃纖維增強塑料壓力容器》進行試驗，容器的水壓爆破壓力可以達到65MPa以上，疲勞壽命可達10000次。
本發明的工作原理纖維纏繞復合材料外層的復合材料層呈現多層的各向異性結構。因此，最大限度的發揮復合材料各層的協同效應是制造高性能復合材料壓力容器的關鍵，在復合材料層間加入起變形協調作用的結構層后，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，高性能復合材料(如，碳纖維復合材料)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濕的環境中工作，存在金屬內襯被電化學腐蝕的危險。通過在金屬內襯和復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復合材料的粘接效果，改善金屬內襯的受力狀態，提高壓力容器的整體性能。
本發明在實施過程中采用了分層固化的工藝，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敷一種特殊的高分子膠膜，形成一種夾層結構。
權利要求
1.一種纖維纏繞復合材料壓力容器，它包括內襯、纖維纏繞復合材料層及介質進出口，介質進出口與所述壓力容器內外相連通；其特征在于所述內襯與所述纖維纏繞復合材料層之間以及纖維纏繞復合材料層與層之間鋪敷有變形協調層。
2.根據權利要求1所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述纖維纏繞復合材料層為多層。
3.根據權利要求1所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述變形協調層為高分子膠膜層，其厚度為0.1-2.0mm。
4.根據權利要求3所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述高分子膠膜采用環氧樹脂、酚醛樹脂或聚氨酯樹脂中一種。
5.根據權利要求1所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述內襯為球形、柱形或環形狀。
6.根據權利要求1或2或5所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述纖維復合材料層由纖維復合材料在所述內襯上以連續縱向及環向交替纏繞方式構成。
7.一種權利要求1-6任一項所述纖維纏繞復合材料壓力容器的制造方法，其特征在于它包括如下步驟1)用金屬或非金屬材料制造內襯；2)在步驟1)成型的內襯上鋪敷變形協調層；3)在步驟2)的變形協調層上制造復合結構層；4)分層固化。
8.根據權利要求7所述纖維纏繞復合材料壓力容器的制造方法，其特征在于所述步驟3)的復合結構層由纖維纏繞復合材料層與變形協調層交替覆著且至少循環2次制造而成；所述纖維纏繞復合材料層以連續纏繞方式構成。
9.根據權利要求8所述纖維纏繞復合材料壓力容器，其特征在于所述纏繞方式為環向與縱向交替纏繞。
10.根據權利要求7所述纖維纏繞復合材料壓力容器的制備方法，其特征在于所述步驟4)分層固化的具體步驟為1)先將纖維纏繞復合材料層纏繞至一定厚度；2)在步驟1)形成的纖維纏繞復合材料層上鋪敷一層變形協調層；3)將步驟2)冷卻至室溫后，經過打磨后固化；4)依次循環其步驟1)～步驟3)的固化步驟，形成所述分層固化。
全文摘要
本發明公開了一種纖維纏繞復合材料壓力容器及其制造方法，主要解決壓力容器整體性能發揮不好的問題，提供一種耐壓強度高的纖維纏繞復合材料壓力容器及其制造方法。一種纖維復合材料壓力容器，它包括纖維纏繞復合材料層及壓力容器內襯，其特征在于所述壓力容器內襯與所述纖維纏繞復合材料層之間以及纖維纏繞復合材料層與層之間鋪敷有變形協調層。其制造方法為1)用金屬材料加工成內襯；2)將纖維復合材料經環氧樹脂浸漬處理，以纏繞方式纏至金屬內襯上；3)復合材料纖維纏繞層的層與層之間預埋有變形協調層；4)分層固化。其具有質量輕、成本低、質量穩定、耐疲勞性能及防爆性能好等優點。即使遭到破壞也不會產生出大量殺傷性碎片。
文檔編號F17C1/16GK1529083SQ0313479
公開日2004年9月15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