一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶及其制造方法與流程

本發明涉及機械技術領域，具體涉及氫氣瓶。

背景技術：

現有技術的氫氣瓶在遇到高壓工作、高疲勞次數問題時，一般采用增加內膽厚度，提高氣瓶爆破強度的方法，從而降低內襯的應力水平。這樣氣瓶的重量勢必急劇增加，從而降低了氫燃料電池系統的整體性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶及其制造方法，以解決上述技術問題。

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：

一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶，包括一氫氣瓶主體，所述氫氣瓶主體包括一瓶身，其特征在于，所述瓶身是由碳纖維構成的瓶身；

所述瓶身的內壁設有由非金屬彈性材料構成的內膽。

內膽可重復更換。本發明通過優化傳統的氫氣瓶的結構，一方面有效提高了氣瓶工作疲勞次數和使用壽命，同時也降低了氣瓶重量，生產成本低、制造周期短。由于采用非金屬彈性材料制成的內膽，如氫氣瓶爆破，不會產品任何金屬碎片，氫氣瓶使用安全性非常高。

所述內膽與所述瓶身可拆卸連接。內膽有缺陷時，瓶身依然可重復利用。當內膽破裂泄漏時，可通過更換內膽后重新使用，從而顯著提高氣瓶的使用壽命。

所述瓶身上固定有一接管嘴，所述接管嘴與一堵頭可拆卸相連，所述堵頭的外壁與一外套螺母轉動連接；

所述接管嘴的內壁與所述堵頭的外壁之間設有一密封結構；

所述接管嘴的外壁上設有外螺紋；

所述外套螺母的內壁上設有與所述外螺紋相匹配的內螺紋。

便于實現接管嘴與堵頭的連接穩定性。所述堵頭上設有充氣用通孔。

所述堵頭的外壁與所述外套螺母的內壁之間設有一固定鋼絲。

便于實現外套螺母與堵頭的轉動。便于控制堵頭裝入接管嘴的速度，實現堵頭的緩慢裝入接管嘴。

所述堵頭與所述外套螺母的連接處設有一用于固定鋼絲穿過的通孔；

所述堵頭與所述外套螺母的連接處位于所述堵頭的外壁與所述外套螺母的內壁之間。

所述密封結構包括o型密封圈；

所述堵頭的外壁上設有用于容置所述o型密封圈的凹槽，所述凹槽設有兩個，兩個凹槽沿著所述堵頭的中心軸線方向平行排布。

所述接管嘴的內壁與所述堵頭的外壁之間還通過金屬球面進行密封。實現氫氣瓶的可靠密封。所述金屬球面位于所述凹槽的左側。

o形密封圈是由三元乙丙橡膠或丁腈橡膠制成的o形密封圈。三元乙丙橡膠或丁腈橡膠與氫氣具有良好相容性。

所述堵頭的外壁上設有一外徑漸變的漸變部，所述漸變部的外徑從左至右逐漸減小；

所述漸變部的右側設有所述凹槽；

所述漸變部的左側與所述外套螺母相連；

所述接管嘴的左端部的內壁與所述漸變部的外壁相匹配。

所述非金屬材料為f46材料。

所述碳纖維為t700sc12k碳纖維。

便于實現堵頭與接管嘴的連接穩定性。

所述接管嘴與所述堵頭之間還設有所述內膽。內膽通過接管嘴與所述堵頭之間的密封結構，實現內膽的固定。

一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，制造由非金屬彈性材料構成的內膽；

步驟二，制造接管嘴、堵頭；

步驟三，制造由水溶性石英砂澆鑄而成砂型模；

步驟四，制造由碳纖維構成的瓶身；

將接管嘴黏貼在砂型模上，

在所述砂型模的外表面采用濕法纏繞工藝制造瓶身，并固化；

步驟五，使用加熱后的水溶液熔解砂型模，并進行清理和烘干；

步驟六，將內膽裝入瓶身的內部，并采用堵頭進行密封。

步驟一中，在模具表面均勻的噴涂f46材料，當噴涂厚度到達規定厚度后，在高溫箱中進行燒結成型，燒結溫度150℃±10℃，制成內膽。

對內膽的尺寸進行檢測，內膽壁厚尺寸通過霍爾效應測厚儀進行精確測量。

步驟二中，接管嘴與堵頭均采用機加成型；

堵頭與外套螺母之間穿入固定鋼絲，穿入固定鋼絲后，外套螺母自由轉動。

步驟四中，砂型模作為纏繞芯模。

使用三束浸膠的t700sc12k碳纖維纏繞，纏繞時對碳纖維施加一定的張力，隨著纏繞的進行，碳纖維張力由內向外逐漸遞減，張力范圍為25n～15n。碳纖維的體積含量達到0.67。

在纏繞成型的鋪層方式上，瓶身的封頭處采用了逐層擴孔的方式，保證了瓶身的封頭處不產生纖維堆積，避免在軸線方向上氣瓶不會出現局部的應力集中。

步驟四中，固化過程中，瓶身繞中心軸線以5～10r/min的轉速作回轉運動，固化過程為(1)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到50±2℃，保溫2小時；(2)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到80±5℃，保溫2小時；(3)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到120±5℃，保溫2小時；(4)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到140±5℃，保溫4小時；(5)以不超過3℃/min的速度使瓶身冷卻到室溫，實現固化。

所述瓶身構成氣瓶的內腔。

步驟六中，將內膽均勻的折疊成傘形，從接管嘴裝入瓶身的內壁，內膽充入不大于0.05mpa的氮氣，使內膽充分展開并緊貼瓶身內壁。在堵頭上套入2個o形密封圈后，堵頭緩慢裝入接管嘴，安裝時應避免內膽滑入瓶身內腔。堵頭與接管嘴的連接處通過一道金屬球面密封，二道徑向o形密封圈密封，實現氣瓶的可靠密封，接管嘴與堵頭螺紋的安裝力矩控制在41n·m～45n·m。

附圖說明

圖1為本發明一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶的一種結構示意圖；

圖2為本發明的部分結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面進一步闡述本發明。

參見圖1、圖2，一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶，包括一氫氣瓶主體，氫氣瓶主體包括一瓶身4，瓶身4是由碳纖維構成的瓶身4；瓶身4的內壁設有由非金屬彈性材料構成的內膽1。本發明通過優化傳統的氫氣瓶的結構，一方面有效提高了氣瓶工作疲勞次數，同時也降低了氣瓶重量，生產成本低、制造周期短。由于采用非金屬彈性材料制成的內膽1，如氫氣瓶爆破，不會產品任何金屬碎片，氫氣瓶使用安全性非常高。

內膽1與瓶身4可拆卸連接。當內膽破裂泄漏時，可通過更換內膽后重新使用，從而顯著提高氣瓶的使用壽命。瓶身4上固定有一接管嘴2，接管嘴2與一堵頭3可拆卸相連，堵頭3的外壁與一外套螺母轉動連接；接管嘴2的內壁與堵頭3的外壁之間設有一密封結構；接管嘴2的外壁上設有外螺紋；外套螺母的內壁上設有與外螺紋相匹配的內螺紋。便于實現接管嘴2與堵頭3的連接穩定性。堵頭3上設有充氣用通孔。

堵頭3的外壁與外套螺母32的內壁之間設有一固定鋼絲33。便于實現外套螺母與堵頭3的轉動。

堵頭3與外套螺母32的連接處設有一用于固定鋼絲33穿過的通孔；堵頭3與外套螺母的連接處位于堵頭3的外壁與外套螺母的內壁之間。堵頭上設有一進氣口31，一出氣口，堵頭的進氣口位于接管嘴的外部，堵頭的出氣口位于接管嘴的內部。

密封結構包括o型密封圈34；堵頭3的外壁上設有用于容置o型密封圈34的凹槽，凹槽設有兩個，兩個凹槽沿著堵頭3的中心軸線方向平行排布。接管嘴2的內壁與堵頭3的外壁之間還通過金屬球面進行密封。實現氫氣瓶的可靠密封。金屬球面位于凹槽的左側。o形密封圈是由三元乙丙橡膠或丁腈橡膠制成的o形密封圈。三元乙丙橡膠或丁腈橡膠與氫氣具有良好相容性。

堵頭3的外壁上設有一外徑漸變的漸變部，漸變部的外徑從左至右逐漸減小；漸變部的右側設有凹槽；漸變部的左側與外套螺母相連；接管嘴2的左端部的內壁與漸變部的外壁相匹配。

非金屬材料為f46材料。碳纖維為t700sc12k碳纖維。便于實現堵頭3與接管嘴2的連接穩定性。

接管嘴與堵頭之間還設有內膽。內膽通過接管嘴與堵頭之間的密封結構，實現內膽的固定。

氫氣瓶主體通過管路連接一燃料電池的進氣口，以燃料電池為無人機用燃料電池。管路上設有至少兩個凈化器。實現進一步空氣凈化。凈化器內設有一過濾材質，過濾材質包括氧氣清除劑。管路沿著導流方向依次設有一單向閥、一截止閥、一減壓閥、一電磁閥，減壓閥與電磁閥之間設有壓力傳感器。單向閥連接一位于地面的氫氣輸送裝置。保證氫氣瓶主體內氫氣的含量。

瓶身的厚度不大于3cm，內膽的厚度不大于0.2cm。保證了質量。

一種輕質長壽命復合材料氫氣瓶的制備方法，包括如下步驟：步驟一，制造由非金屬彈性材料構成的內膽；步驟二，制造接管嘴、堵頭；步驟三，制造由水溶性石英砂澆鑄而成砂型模；步驟四，制造由碳纖維構成的瓶身；將接管嘴黏貼在砂型模上，在砂型模的外表面采用濕法纏繞工藝制造瓶身，并固化；步驟五，使用加熱后的水溶液熔解砂型模，并進行清理和烘干；步驟六，將內膽裝入瓶身的內部，并采用堵頭進行密封。

步驟一中，在模具表面均勻的噴涂f46材料，當噴涂厚度到達規定厚度后，在高溫箱中進行燒結成型，燒結溫度150℃±10℃，制成內膽。對內膽的尺寸進行檢測，內膽壁厚尺寸通過霍爾效應測厚儀進行精確測量。

步驟二中，接管嘴與堵頭均采用機加成型。堵頭與外套螺母轉動連接。堵頭與外套螺母之間穿入固定鋼絲，穿入固定鋼絲后，外套螺母自由轉動。

步驟四中，砂型模作為纏繞芯模。使用三束浸膠的t700sc12k碳纖維纏繞，纏繞時對碳纖維施加一定的張力，隨著纏繞的進行，碳纖維張力由內向外逐漸遞減，張力范圍為25n～15n，碳纖維的體積含量達到0.67。在纏繞成型的鋪層方式上，瓶身的封頭處采用了逐層擴孔的方式，保證了瓶身的封頭處不產生纖維堆積，避免在軸線方向上氣瓶不會出現局部的應力集中。

步驟四中，固化過程中，瓶身繞中心軸線以5～10r/min的轉速作回轉運動，固化過程為(1)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到50±2℃，保溫2小時；(2)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到80±5℃，保溫2小時；(3)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到120±5℃，保溫2小時；(4)以0.5±0.1℃/min的升溫速度升高到140±5℃，保溫4小時；(5)以不超過3℃/min的速度使瓶身冷卻到室溫，實現固化。

瓶身構成氣瓶的內腔。步驟六中，將內膽均勻的折疊成傘形，從接管嘴裝入瓶身的內壁，內膽充入不大于0.05mpa的氮氣，使內膽充分展開并緊貼瓶身內壁。在堵頭上套入2個o形密封圈后，堵頭緩慢裝入接管嘴，安裝時應避免內膽滑入瓶身內腔。堵頭與接管嘴的連接處通過一道金屬球面密封，二道徑向o形密封圈密封，實現氣瓶的可靠密封。接管嘴與外套螺母螺紋的安裝力矩控制在41n·m～45n·m。步驟六中，將內膽均勻的折疊成傘形，指的是折疊成收合狀態下的傘面狀。或者，步驟六中，將內膽均勻的折疊成扇形。o形密封圈采用與氫氣具有良好相容性的三元乙丙橡膠或丁腈橡膠制造，通過模壓成型。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征以及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。