專利名稱：一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的生產工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種復合材料高壓氣瓶，特別是鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶。
背景技術：
鋁內膽碳纖維全纏繞復合材料氣瓶是近幾年發展起來的一種新材料氣瓶。過去，人們使用鋼質高壓氣瓶作為儲存壓縮空氣或氧氣的容器，呼吸器的高壓供氣部件，鋼質氣瓶與其相比具有重量重、使用時間短，在耐腐蝕、安全性等性能方面也較鋁內膽碳纖維全纏繞復合材料氣瓶差，將鋼質氣瓶用于自給正壓式呼吸器，裝具自重明顯給使用者造成不便。鋼質高壓氣瓶器如遇到意外事故，其破裂屬突發性破片模式，會有碎片飛出傷人，其安全性能、疲勞壽命、耐腐蝕性能、抗火燒性能和閉氣性能都比較差
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種安全性能好、疲勞壽命長，耐腐蝕性能、抗火燒性能和閉氣性能均佳的氣瓶。為解決上述技術問題，本發明采用一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的生產工藝方法，復合氣瓶由內至外四部分組成，鋁內膽、防電腐蝕涂層、碳纖維纏繞層、玻璃纖維纏繞層，工藝流程包括步驟一一次成型鋁內膽；步驟二 在鋁內膽外表面涂一層防電腐蝕涂層；步驟三在鋁內膽筒體部分，采用T700-12KC碳纖維進行由環向螺旋纏繞層和縱向纏繞纖維層鋪層次序交替纏繞完成碳纖維纏繞層(I)進行環向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6. 5-7. 5mm的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數70-85為數6-7層的循環纏繞；(2)進行縱向纏繞，使用寬度5. 5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進行每層紗帶片數90-95為數
1-2層的循環纏繞；(3)進行環向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6. 5-7. 5mm的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數70-85為數
2-3層的循環纏繞；(4)進行縱向纏繞，使用寬度5. 5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進行每層紗帶片數90-95為數1-2層的循環纏繞；(5)在鋁內膽的瓶底、瓶肩部分采用縱向螺旋纏繞，其鋪層順序與筒體縱向螺旋纏繞纖維層一致；進行碳纖維纏繞層纏繞時，單股纖維的平均張力T = 10 20 (N/股)，并在纏繞過程中適當地控制環氧樹脂含量、確保纖維體積含量為Vf = 0. 60 0. 70。步驟四在碳纖維全纏繞層的表面上采用2-4股玻璃纖維紗纏繞(I)進行環向纏繞，使用帶寬6. 5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數60-68為數1_2層的循環纏繞；(2)進行縱向纏繞，使用寬度6. 5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角10度至15度，進行每層紗帶片數75-85為數1-2層的循環纏繞；步驟五將纏繞后的復合氣瓶放入固化爐中固化成型，溫至120°C ±10°C保溫2-4小時，然后爐內溫度緩慢降至室溫；
步驟六將成型后的復合氣瓶加壓PA = 55-60MPa,使其完全進入塑性變形狀態后，泄壓至零。鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的設計和制造與鋼質氣瓶屬于兩個截然不同的領域，是正在探索的高新領域，經該工藝方法生產的鋁內膽全纏繞復合氣瓶主要技術指標為安全系數n > 3. 4，疲勞循環次數N ^ 10000次，滿足了合理的應力場分布，保證復合氣瓶在使用最少的纖維用量的條件下能夠承受最大的爆破壓力，使其破裂位置起始于復合氣瓶的筒體部位、無碎片，并且在給定的工作壓力下復合氣瓶的鋁內膽始終處于彈性變形狀態，保證復合氣瓶具有持久、良好的氣密性能和最佳的安全的性能。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細的說明圖I為本發明鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶結構圖。圖2為本發明鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶結構圖I筒體部分A的局部剖視圖。其中1-筒體部分；2_瓶底部分；3_瓶肩部分；4_瓶口部分；5-防電腐蝕涂層；6-縱向碳纖維纏繞層；7_環向碳纖維纏繞層；8_抗沖擊玻璃纖維保護層^cr瓶底部分矢高；D-筒體部分內徑^1-筒體部分高度；L4-筒體兩端的過渡部分高度；L2-瓶肩部分矢高；L3-瓶口部分長度。
具體實施例方式鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶包括瓶底部分2、筒體部分I、瓶肩部分3和瓶口部分4，其主要承載結構是由鋁內膽和碳纖維纏繞層6和7，結構如圖I所示，本發明根據其功能要求，采用復合材料結構有限元分析對鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶進行鋪層次序的優化設計，如圖2所示，以無縫鋁內膽為芯模、鋁內膽表面上按優化設計的鋪層順序進行T700-12KC碳纖維纏繞，外表面上纏繞玻璃纖維作為抗沖擊保護層8，并在制造過程中對復合氣瓶進行“自緊”處理，具體實施方式
為(I) 一次成型鋁內膽芯模。(2)在鋁內膽的外表面上涂抹一層聚氨酯清漆作為防電腐蝕層5。(3)碳纖維纏繞層6和7的纏繞工藝參數碳纖維紗團數為2 4團紗，碳纖維纏繞線型(纏繞角、帶寬、鋪層順序及每個循環層紗帶片條數)見(表一)
權利要求
1.一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的生產工藝方法，復合氣瓶由內至外四部分組成，鋁內膽、防電腐蝕涂層、碳纖維纏繞層、玻璃纖維纏繞層，工藝流程如下 步驟一一次成型鋁內膽； 步驟二 在鋁內膽外表面涂一層防電腐蝕涂層； 步驟三在鋁內膽筒體部分，碳纖維纏繞層由環向螺旋纏繞層和縱向纏繞纖維層鋪層次序交替纏繞完成 (1)進行環向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6.5-7. 5_的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數70-85為數6_7層的循環纏繞； (2)進行縱向纏繞，使用寬度5.5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進行每層紗帶片數90-95為數1_2層的循環纏繞； (3)進行環向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6.5-7. 5_的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數70-85為數2_3層的循環纏繞； (4)進行縱向纏繞，使用寬度5.5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進行每層紗帶片數90-95為數1_2層的循環纏繞； (5)在鋁內膽的瓶底、瓶肩部分采用縱向螺旋纏繞，其鋪層順序與筒體縱向螺旋纏繞纖維層一致； 步驟四在碳纖維全纏繞層的表面上采用2-4股玻璃纖維紗纏繞 (1)進行環向纏繞，使用帶寬6.5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角85度至95度，進行每層紗帶片數60-68為數1_2層的循環纏繞； (2)進行縱向纏繞，使用寬度6.5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強方向和復合氣瓶縱向對稱軸的纏繞角10度至15度，進行每層紗帶片數75-85為數1-2層的循環纏繞； 步驟五將纏繞后的復合氣瓶放入固化爐中固化成型，溫至120°C ±10°C保溫2-4小時，然后爐內溫度緩慢降至室溫； 步驟六將成型后的復合氣瓶加壓PA = 55-60MPa，使其完全進入塑性變形狀態后，泄壓至零。
2.根據權利要求I所述的一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的生產工藝方法,其特征在于進行碳纖維纏繞層纏繞時，單股纖維的平均張力T = 10-20 (N/股)。
3.根據權利要求I或2所述的一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的生產工藝方法，其特征在于進行碳纖維纏繞層纏繞時，纖維體積含量應為Vf = 0. 60-0. 70。
全文摘要
本發明涉及一種鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶制造工藝方法，該復合氣瓶的主要承載結構是鋁內膽和碳纖維纏繞層，其筒體部分上的碳纖維纏繞層是由縱向螺旋纏繞纖維層和環向纏繞纖維層按優化設計所得的鋪層次序交替纏繞而成，碳纖維全纏繞層的表面上纏繞玻璃纖維層作為復合氣瓶的抗沖擊保護層。經該工藝方法生產的鋁內膽全纏繞復合氣瓶主要技術指標為安全系數n≥3.4，疲勞循環次數N≥10000次，滿足了合理的應力場分布，保證復合氣瓶在使用最少的纖維用量的條件下能夠承受最大的爆破壓力，使其破裂位置位于氣瓶筒體部位、無碎片，并在給定的工作壓力下復合氣瓶的鋁內膽始終處于彈性變形狀態，保證復合氣瓶具有持久、良好的氣密性能和最佳安全性能。
文檔編號F17C1/14GK102748584SQ20111009773
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者岳建飛, 張增營, 張金秀, 解越美, 譚軼謙 申請人:北京天海工業有限公司