專利名稱：車用壓縮天然氣全復合材料氣瓶及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種車用壓縮天然氣氣瓶及其制造方法，特別是一種全復合材料氣瓶及制造方法。
車用壓縮天然氣氣瓶是一種以天然氣作動力燃料的汽車配套產品。目前，國內此類氣瓶僅限于鋼質氣瓶，它是以氧氣瓶為基礎發展過來的，其材料為鋼質，自身質量大(容積50升，約65Kg)，而且形狀尺寸大(φ229×1500)，不利于多種車輛上安裝使用和天然氣能源的開發利用。國外此類氣瓶的品種有鋼質、環向纏繞復合材料的鋼氣瓶。鋼瓶、環向纏繞復合材料的鋼瓶自身重大，使用在大型車輛上，與其車體重、載物重比較，氣瓶重微不足道，但使用在小型車輛上，特別是小轎車、出租車，氣瓶重就會影響車體重心的分布，并與載物重相比，氣瓶重量就占取了一定的載物重，要減少氣瓶的自重，氣瓶就得制造的小一些，相應地，氣瓶容積減少，氣瓶充氣量減少，車行駛的路程就會減少。
本發明的目的在于提供一種輕質、耐用且成本較低的全復合材料氣瓶。
本發明的另一目的在于提供一種上述氣瓶的制造方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明包括塑料內膽、纏繞在塑料內膽外的復合材料結構層及包覆在復合材料結構層外表面的保護層及分別接在塑料內膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭。
上述氣瓶的制造方法，包括下列步驟1.金屬法蘭的設計加工；2.塑料內膽的滾制；3.連續纖維浸中溫固化的環氧樹脂膠，濕法纏繞復合材料結構層；4.復合材料結構層的中溫固化；5.氣瓶外保護層的覆制。
在塑料內膽滾制后，在內膽封頭外表面或內膽外表面可粘貼橡膠層。
下面結合附圖及實施例對本發明進一步詳細說明。
圖1為本發明的整體結構剖視圖；圖2為本發明的塑料內膽和金屬接嘴法蘭鑲嵌連接的局部剖視圖；圖3為本發明的塑料內膽通過螺紋與金屬法蘭相接的內膽局部剖視圖；圖4為本發明的塑料內膽通過螺紋與金屬法蘭相接的局部剖視圖。
參見附圖1，本實施例包括塑料內膽3、纏繞在塑料內膽外的復合材料結構層4、包覆在復合材料結構層4外表面的氣瓶保護層5、分別接在塑料內膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭1，金屬接嘴法蘭1的中心軸線與塑料內膽3的中心軸線重合。
為了減緩塑料內膽3與復合材料結構層4界面間的剪切應力，防止挫動，提高氣瓶內膽的疲勞壽命，塑料內膽3在纏繞外層復合材料結構層4前，在其整個范圍內或其封頭局部范圍內粘貼一層剪切模量較高的橡膠層2，厚度為0.5-2mm之間。
氣瓶外表面保護層5可以采用兩種形式一種為聚胺脂體系的涂層，另一種為纏繞一層碳纖維的復合材料層。這兩種材料都能防火，防潮，防酸、堿、鹽，防靜電，保證氣瓶在各種正常工作的條件下的安全使用。
塑料內膽3采用滾塑法成型時，其封頭型面可以是標準橢球面、三心園型面、等張力封頭型面或球型面。為了內膽3滾塑成型的模具制造方便和有利用復合材料結構層4纏繞成型方便，本實施例采用標準橢球封頭。
參見附圖2、3、4，金屬接嘴法蘭1與塑料內膽3的連接有兩種方式一種是在塑料內膽3成型過程中，把金屬接嘴法蘭1直接鑲嵌在內膽3的封頭上，如圖2所示。另一種方式是在滾塑內膽3時，在兩端封頭上，預制出外凸的螺紋柱，如圖3所示，再把加工好的金屬接嘴法蘭1通過螺紋連接在一起，如圖4所示。以上兩種方式的連接保證了塑料內膽3的氣密性和連接的牢固性。
由于金屬與塑料的彈性模量相差較大，兩種材料結合處鋼度不連續，因此，在設計金屬接嘴法蘭1時，考慮內膽3在受內壓后封頭的應力分布，保證應力平緩過渡及成品氣瓶在受內高壓下，金屬接嘴法蘭1不被擠壓脫出，因此金屬接嘴法蘭1的肩寬比設計在1.5-2mm之間。金屬接嘴法蘭1的肩部外型面與封頭外型面曲線方程一致，其內型面為從頸根到肩寬邊緣的厚度逐漸減薄。
為了保證氣瓶的疲勞壽命大于10000次，本發明在復合材料結構層4的設計上，采用了以網格理論的強度設計為主，有限元應力分析和疲勞分析為輔的綜合設計方法。在滿足靜強度的基礎上，進行有限元的應力分析，計算工作壓強下各點應力分部和大小，再與材料失效時的應力相比，比值取為δ，定義為應力比值。根據應力比的大小和疲勞曲線查出疲勞壽命，若哪部位的疲勞壽命不足10000次，那么通過增加該部位的復合材料鋼度，減少變形，降低應力，提高疲勞壽命。
制造氣瓶時，首先加工金屬法蘭1，材質為45鋼，調質處理；再利用滾塑工藝滾制塑料內膽3，其厚度為1-7mm，在滾制過程中，把金屬法蘭1直接鑲嵌在內膽3兩封頭端部，或在兩封頭端部滾制出柱狀螺紋，把加工好的金屬法蘭1通過科凸螺紋連接在一起；然后在外表面或整個內膽3外表面粘貼橡膠層，其厚度為0.5-2mm；之后將連續纖維(玻纖、芳綸、碳纖維或混雜纖維)浸在中溫(60°～90°)固化環氧樹脂膠中，濕法纏繞復合材料結構層；將復合材料結構層中溫(60°～90°)固化成型，再在氣瓶外纏繞一層碳纖維的復合材料保護層，或涂上聚胺脂體系的保護層。
本發明與現有技術相比具有如下優點1.采用低密度、高性能的非金屬材料-塑料作為內膽，以低密度、高性能的復合材料作結構層，氣瓶外包覆有保護層的全復合材料氣瓶，所以氣瓶本身質量輕(重約35Kg)、耐用且內膽制造工藝簡單，一次成型，降低了生產成本。
2.本發明在制造上采用了環氧樹脂、中溫固化配方，濕法纏繞成型工藝。環氧樹脂性能優良，價格便宜；中溫固化，節約能源；濕法纏繞與干法纏繞相比，減少了一道工序，提高了生產效率，降低了生產成本。
3.本發明的氣密性好且靜強度和疲勞強度高。當進行水壓疲勞試驗時，在疲勞次數10000后，氣密性完好，檢壓至設計爆破壓強的85％，保壓5分鐘，無異常。
權利要求
1.一種車用壓縮天然氣全復合材料氣瓶，其特征在于它包括塑料內膽、纏繞在塑料內膽外的復合材料結構層、包覆在復合材料結構層外表面的保護層及分別接在塑料內膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭。
2.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于還包括在塑料內膽和復合材料結構層之間或塑料內膽兩端封頭與復合材料結構層局部范圍內粘貼的一層剪切模量較高的橡膠層。
3.根據權利要求1或2所述的全復合材料氣瓶，其特征在于橡膠層的厚度為0.5-2mm。
4.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于氣瓶外表面保護層為聚胺脂體系的涂層或纏繞一層碳纖維的復合材料層。
5.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于塑料內膽封頭型面是標準橢球型面或三心園型面或等張力型面或球型面。
6.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于塑料內膽的壁厚為1-7mm。
7.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于塑料內膽兩端封頭出氣口處與金屬接嘴法蘭直接鑲嵌在一起或通過螺紋連接在一起。
8.根據權利要求1所述的全復合材料氣瓶，其特征在于金屬接嘴法蘭的肩寬比在1.5-2mm之間，其外型面與塑料內膽封頭外型面曲線方程一致，其內型面為從頸根到肩寬邊緣的厚度逐漸減薄。
9.一種制造權利要求1所述的全復合材料氣瓶的方法，其特征在于包括下列步驟1.金屬法蘭的設計加工；2.塑料內膽的滾制；3.連續纖維浸中溫固化的環氧樹脂膠，濕法纏繞復合材料結構層；4.復合材料結構層的中溫固化；5.氣瓶外保護層的覆制。
10.根據權利要求9所述的全復合材料氣瓶的制造方法，其特征在于在塑料內膽滾制后，在內膽封頭外表面或內膽外表面粘貼一層橡膠層。
全文摘要
一種車用壓縮天然氣全復合材料氣瓶包括塑料內膽、纏繞在塑料內膽外的復合材料結構層及包覆在復合材料結構層外表面的保護層及分別接在塑料內膽兩端封頭出氣口處的金屬接嘴法蘭;制造上述氣瓶的方法依次步驟是金屬法蘭的加工、塑料內膽的滾制、連續纖維浸中溫固化環氧樹脂膠,濕法纏繞復合材料結構層;中溫固化成型復合材料外表面保護層的覆制。本發明本身質量輕(重約35Kg)、耐用、氣密性好,靜強度和疲勞強度高,且制造工藝簡單,生產效率高,成本低。
文檔編號F17C1/00GK1196462SQ9710391
公開日1998年10月21日 申請日期1997年4月15日 優先權日1997年4月15日
發明者屈永強, 張康助, 蔣欽榮, 劉文會 申請人:中國航天工業總公司第四研究院第四十三研究所