CN102011933A - 车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

一种应用于新能源汽车领域中的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，整个装置由内胆、碳纤维缠绕层组成，内胆瓶嘴处为内螺纹和密封结构，碳纤维缠绕层的铺层次序为8层环向缠绕+6层螺旋缠绕+8层环向缠绕+8层螺旋缠绕+2层环向缠绕；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶的生产工艺是，内胆经冲压拉伸成型，并经数控旋压收口成型，在内胆缠绕碳纤维前需在内胆外表面上均匀刷一层丙烯酸清漆，在内胆尾部中心粘尾顶，然后在内胆上全缠绕由张力控制的且浸渍树脂基体的碳纤维缠绕层，包括筒体部分环向+螺旋碳纤维缠绕层和椭圆曲面尾部及椭圆曲面肩部螺旋碳纤维缠绕层和瓶嘴环向碳纤维缠绕层。该发明较同容积、同压力级别的储氢钢瓶质量轻、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力高、工作压力疲劳循环次数大。

Description

车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺
技术领域：
本发明涉及一种应用于新能源汽车领域的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺。
背景技术：
目前，氢能作为一种新型环保能源受到了社会各界的广泛关注，在新能源汽车领域有了一定的应用。氢燃料汽车已经问世，但大多都使用钢瓶贮存氢燃料，车用氢气钢瓶存在质量重、容重比小、易腐蚀、失效模式不安全，工作压力不高等不足，制约了氢气能源在新能源汽车领域的应用。在当今全世界都大力提倡节能减排，创造低碳生活的背景下，新能源汽车迫切需要一种质量轻、耐高压、疲劳寿命高的储氢气瓶部件来突破其应用瓶颈，为新能源汽车逐步替代传统的石油燃料汽车贡献力量，还给地球清洁的呼吸空气。因此，研制开发一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺是亟待解决的新课题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺，该气瓶较同容积、同压力级别的储氢钢瓶质量轻、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力高、工作压力疲劳循环次数多。
本发明是这样实现的：一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，整个装置由内胆、碳纤维缠绕层组成，内胆瓶嘴处为内螺纹和密封结构，碳纤维缠绕层的铺层次序为8层环向缠绕+6层螺旋缠绕+8层环向缠绕+8层螺旋缠绕+2层环向缠绕；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶的生产工艺是，内胆经冲压拉伸成型，并经数控旋压收口成型，在内胆缠绕碳纤维前需在内胆外表面上均匀刷一层丙烯酸清漆，在内胆尾部中心粘尾顶，然后在内胆上全缠绕由张力控制的且浸渍树脂基体的碳纤维缠绕层，包括筒体部分环向+螺旋碳纤维缠绕层和椭圆曲面尾部及椭圆曲面肩部螺旋碳纤维缠绕层和瓶嘴环向碳纤维缠绕层，经加温固化及自紧处理制成气瓶；内胆1坯料为6061铝合金板材；内胆进行固溶+人工时效热处理，内胆1内表面进行了阳极氧化处理；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶公称工作压力为35MPa；水压试验压力为52.5MPa；水压爆破试验压力不小于84Mpa；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶内径为360-365毫米，长度为880-890毫米，椭圆曲面尾部矢高为130-150毫米，椭圆曲面肩部矢高为130-150毫米，气瓶中心轴线的瓶嘴外径≥95毫米；树脂基体胶液由环氧树脂与固化剂按1∶0.8的质量比配制而成。
本发明的要点在于它的结构及工作原理。其工作原理是：作为缠绕芯模的内胆由板材冲压拉伸成型，其内径由拉伸模具保证，尾部内椭圆曲面由模具型面保证，尾部外椭圆曲面由数控程序保证，肩部内外椭圆曲面及嘴部厚度均由收口数控程序保证。内胆肩部及尾部与筒体转折过渡区域均采用壁厚逐渐增厚设计，避免在转折过渡区域产生应力集中，提高气瓶的疲劳性能。气瓶按网络理论进行设计，即气瓶的纤维各处分布均匀，同时受力连续；内胆为薄壁容器，在气瓶使用时仅起密闭作用，防止气体渗漏，载荷由连续纤维承担；气瓶的强度由纤维全部承担，基体树脂仅起传递载荷作用，且树脂断裂伸长率足够高，纤维断裂后树脂破坏。气瓶通过合理的环向纤维和螺旋纤维用量的分配，即合理的铺层次序来实现气瓶两个主应力方向(环向、轴向)的等强度。
车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺与现有技术相比，具有较同容积、同压力级别的储氢钢瓶质量轻、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力高、工作压力疲劳循环次数大等优点，将广泛的应用于新能源汽车领域中。
附图说明：
下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。
图1是本发明的结构示意图。
参照附图，一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，整个装置由内胆1、碳纤维缠绕层2组成，内胆1瓶嘴处为内螺纹和密封结构，碳纤维缠绕层2的铺层次序为8层环向缠绕+6层螺旋缠绕+8层环向缠绕+8层螺旋缠绕+2层环向缠绕；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶的生产工艺是，内胆1经冲压拉伸成型，并经数控旋压收口成型，在内胆1缠绕碳纤维前需在内胆1外表面上均匀刷一层丙烯酸清漆，在内胆1尾部中心粘尾顶，然后在内胆1上全缠绕由张力控制的且浸渍树脂基体的碳纤维缠绕层，包括筒体部分环向+螺旋碳纤维缠绕层和椭圆曲面尾部及椭圆曲面肩部螺旋碳纤维缠绕层和瓶嘴环向碳纤维缠绕层，经加温固化及自紧处理制成气瓶；内胆1坯料为6061铝合金板材；内胆1进行固溶+人工时效热处理，内胆1内表面进行了阳极氧化处理；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶公称工作压力为35MPa；水压试验压力为52.5MPa；水压爆破试验压力不小于84MPa；车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶内径为360-365毫米，长度为880-890毫米，椭圆曲面尾部矢高为130-150毫米，椭圆曲面肩部矢高为130-150毫米，气瓶中心轴线的瓶嘴外径≥95毫米；树脂基体胶液由环氧树脂与固化剂按1∶0.8的质量比配制而成。
下面对本发明作进一步具体描述，其生产工艺程序是，(1)下板料：用14毫米厚度6061铝合金板材为内胆坯料，按工艺尺寸切方、车圆；(2)退火：坯料放入电阻炉中进行退火热处理，退火温度350～400℃，保温2小时，出炉；(3)冲压拉伸：坯料用500吨四柱液压机冲压拉伸9次制成内胆半成品筒形件，拉伸道次之间穿插退火热处理；(4)旋压收口：内胆半成品筒形件用数控收口机按预先编制的数控程序进行旋压收口，收口加热温度200～300℃；(5)固溶+人工时效热处理：固溶温度500～550℃，保温2小时，出炉水冷，时效温度150～200℃，保温10～12小时，出炉空冷；(6)内表面阳极氧化：流程为内壁预处理、清洗、阳极氧化、清洗、封孔；(7)机加工：在数控车床上按预先编制的数控程序加工底部和嘴部；(8)刷面漆：在内胆外表面均匀刷一层丙烯酸清漆，防止内胆受到电化学腐蚀；(9)胶液配制：将环氧树脂与固化剂按照1∶0.8的质量比混合，搅拌均匀；(10)碳纤维缠绕：在数控缠绕机上按照预先编制的缠绕程序缠绕内胆，通过电子张力控制装置控制缠绕张力，并使用工艺方法控制碳纤维的含胶量；(11)加温固化：在固化炉中按照预先编制的固化程序对缠绕上碳纤维的内胆进行固化；(12)自紧：按工艺要求对固化后的气瓶逐只进行自紧处理，即加液压至自紧压力，保压1分钟，卸压至零压力；(13)水压试验：自紧后对气瓶逐只进行水压试验，即加液压至52.5MPa，保压1分钟，卸压至零压力；(14)外观处理：逐只检查并修理气瓶外表面和尾顶，使其表面圆滑、美观。

Claims (7)

1.一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，整个装置由内胆、碳纤维缠绕层组成，其特征在于：内胆瓶嘴处为内螺纹和密封结构，碳纤维缠绕层的铺层次序为8层环向缠绕+6层螺旋缠绕+8层环向缠绕+8层螺旋缠绕+2层环向缠绕。
2.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶的生产工艺是，内胆经冲压拉伸成型，并经数控旋压收口成型，在内胆缠绕碳纤维前需在内胆外表面上均匀刷一层丙烯酸清漆，在内胆尾部中心粘尾顶，然后在内胆上全缠绕由张力控制的且浸渍树脂基体的碳纤维缠绕层，包括筒体部分环向+螺旋碳纤维缠绕层和椭圆曲面尾部及椭圆曲面肩部螺旋碳纤维缠绕层和瓶嘴环向碳纤维缠绕层，经加温固化及自紧处理制成气瓶。
3.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的内胆1坯料为6061铝合金板材。
4.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的内胆进行固溶+人工时效热处理，内胆1内表面进行了阳极氧化处理。
5.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶公称工作压力为35MPa；水压试验压力为52.5MPa；水压爆破试验压力不小于84MPa。
6.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶内径为360-365毫米，长度为880-890毫米，椭圆曲面尾部矢高为130-150毫米，椭圆曲面肩部矢高为130-150毫米，气瓶中心轴线的瓶嘴外径≥95毫米。
7.根据权利要求1所述的一种车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶，其特征在于：所说的树脂基体胶液由环氧树脂与固化剂按1∶0.8的质量比配制而成。
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