CN102518933A

CN102518933A - 用于空气动力车的高压气瓶

Info

Publication number: CN102518933A
Application number: CN2011104203815A
Authority: CN
Inventors: 张宏; 袁卓伟; 米宽; 匡欢; 王骏
Original assignee: Sinoma Science and Technology Suzhou Co Ltd
Current assignee: Sinoma Science and Technology Suzhou Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供了一种用于空气动力车的高压气瓶，所述高压气瓶的壁由内到外依次包括：由钢制成的内胆；由尼龙材料制成的结合涂层；由碳纤维-环氧体系复合材料制成的强度层；外保护层。本发明的有益效果主要体现在：高压气瓶内层采用优质成型的钢内胆，强度层采用高性能碳纤维复合材料结构，具有耐高压，安全性高，耐用等特点。

Description

用于空气动力车的高压气瓶

技术领域

本发明涉及高压气瓶制造领域，尤其涉及一种用于空气动力车的高压气瓶。

背景技术

随着社会的发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具，而汽车使用的动力原料——石油却在日益枯竭，而且会使全球的环境遭到破坏。因此，相继出现天然气汽车（CNG、LNG）、醇类汽车，但是这些代用燃料仍有排放污染和热效应。与此同时，大量电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动车等也相继出现，但是也存在电池的污染、制造成本高、系统较复杂等一直制约其发展。人们期待一种无污染、用之不竭的新型能源，于是采用压缩空气驱动的汽车应运而生。压缩空气动力汽车行驶的能量由存储在高压压缩空气中的压力来提供。为此，需要有一种安全可靠的储气装置来存储高压的压缩空气。然而，现在市场上常见的高压气瓶大多存在缺陷，不适合用于空气动力车，例如，高压气瓶往往采用全钢材料，虽然耐用但是自重较大，提高了车辆的能耗；而铝制内胆的气瓶虽然重量轻，但是选材困难，在制造过程中易出现划痕缺陷，且对成型工艺要求高，导致整体的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重量轻，耐压性能好的用于空气动力车的高压气瓶。

本发明的目的通过提供以下技术方案来实现：

一种用于空气动力车的高压气瓶，所述高压气瓶的壁由内到外依次包括：由钢制成的内胆；由尼龙材料制成的结合涂层；由碳纤维-环氧体系复合材料制成的强度层；外保护层。

该技术方案的有益效果主要体现在：高压气瓶内层采用优质成型的钢内胆，强度层采用高性能碳纤维复合材料结构，具有耐高压，安全性高，耐用等特点。

优选的，所述内胆由铬钼钢管旋压成型，并进行整体调质处理。

优选的，所述结合涂层厚度在200um至300um之间。

该技术方案进一步的有益效果为，既能够有效防止气瓶内部内胆和强度层间的腐蚀和分离，同时在长期充装的条件下不会出现涂层开裂的现象，也能够表现出与金属内胆很好的附着力，亦不会出现涂层脱落的现象。

优选的，所述结合涂层为使用静电涂层粉末，采用热喷涂法在内胆表面均匀喷涂而成。

该技术方案进一步的有益效果为，形成的涂层具有良好的光泽度，厚度均匀。

优选的，所述静电涂层粉末为热塑性高分子材料，粉末为球形颗粒。

该技术方案进一步的有益效果为，球形颗粒易于流平、能均匀涂覆内胆的封头和瓶嘴及工件边缘。

优选的，所述的热喷涂法包括以下步骤：首先，将内胆进行预热；然后，在高压静电场环境下，用喷枪将静电涂层粉末均匀喷到内胆表面；在预定的温度条件下固化10分钟到20分钟。

该技术方案进一步的有益效果为，产生的涂层具有很好的力学性能，其抗拉强度，韧性，耐反复冲击振动，耐应力开裂，绝缘性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能突出，并且在金属材料上的附着力强，抗撕裂性能优异。

优选的，所述强度层在缠绕在内胆外表面时，首先对碳纤维施加一定的预应力，再经胶液体系浸润后缠绕于内胆表面，以使内胆和强度层之间形成预定的拉-压应力。

该技术方案进一步的有益效果为，在自紧水压后，使内胆具有压应力，强度层具有拉应力，有利于提高气瓶的疲劳性能，延长使用寿命到至少15年。

优选的，所述碳纤维-环氧体系材料缠绕形成强度层的步骤为：选用抗拉强度不低于4200MPa的碳纤维，按抽纱方向装入纱架；将碳纤维按照过纱路径引入盛有胶液的胶槽，穿至绕纱嘴；按不大于60m/min的速度，采用环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕重叠的方式进行缠绕；缠绕完成后，将得到的产品放入固化炉进行升温固化。

优选的，所述碳纤维-环氧体系材料在形成强度层的缠绕过程中，逐层降低缠绕的张力。

该技术方案进一步的有益效果为，使其气瓶强度达到要求，爆破压力远远高于工作压力，提高使用过程中的安全性能。

优选的，所述外保护层由玻璃纤维-环氧体系复合材料制成。

该技术方案进一步的有益效果为，外保护层抗冲击性能好，补偿了碳纤维复合材料抗冲击性能较差的不足。

优选的，所述高压气瓶的容积为35L至200L，工作压力不低于35MPa。

综上所述，本发明的内胆采用优质的薄壁铬钼钢管，采用特殊旋压工艺旋压成型，并采用调质处理，使内胆具备优异的力学性能。采用上述工艺成型的内胆缠绕成型的气瓶与铝内胆碳纤维全缠绕气瓶和全钢气瓶相比，在性能，重量，成本上都具有优越性。

全钢制成的气瓶虽然性能能够保证，但是其重量过重，大幅度增加了汽车的能耗，所以其大量使用有一定的局限性。铝内胆碳纤维全缠绕空气瓶重量轻，但是由于铝管取材难且价值高，质量参差不齐，也由于现阶段铝管成型旋压工艺的局限性，使其生产的成本大幅度提高，制成内胆的性能也波动较大。与上述两种内胆相比，铬钼钢管价格便宜，成型工艺成熟稳定。以容量为110L的高压气瓶为例，铝内胆碳纤维缠绕气瓶的重量约为49Kg，钢内胆碳纤维缠绕气瓶的重量可控制在59Kg左右。

空气瓶的铝内胆一般不承受压力，其主要起到密封储存气瓶的作用，所有的工作载荷全部由碳纤维复合材料层提供，所以该气瓶的生产需要大量的碳纤维，而碳纤维的价格昂贵且不易购买。而本发明采用的薄壁钢内胆，取材容易，工艺稳定，不仅起到密封存储气体的作用，也能够承受一部分工作载荷，这样可以减少碳纤维复合材料层所需承受的压力，从而减少碳纤维的用量，降低成本。

本发明的高压气瓶与全钢气瓶相比有很大的重量优势；与铝内胆碳纤维气瓶相比，具有更好的性能稳定性和成本优势，其优点带来的效益远大于气瓶重量差距带来的不足，因而，最终产品重量轻、耐高压，安全性高，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为本发明的具体实施例的高压气瓶的示意图。

具体实施方式

如图1所示，该用于空气动力车的高压气瓶为一种钢内胆碳纤维全缠绕气瓶，高压气瓶的壁由内到外依次包括：由钢制成的内胆1；由尼龙材料制成的结合涂层2；由碳纤维-环氧体系复合材料制成的强度层3；外保护层4。

内胆1采用优质的铬钼钢管，先旋压成型，然后整体调质处理优化性能。内胆1为储存高压空气提供空间，与充装介质直接接触，起密封闭气作用，承担一部分的压力。碳纤维具有很好的力学性能，高强度，高模量，能够很好地提高气瓶的安全系数，同时由于碳纤维性能好，也可在一定程度上减少原材料的用量，减少成本费用。

内胆1与强度层3之间的结合涂层2具有防止金属制成的内胆1腐蚀、传递应力载荷的重要作用。普通的过渡层材料固化后呈脆性，使用过程中易产生裂纹且与复材层结合强度低，导致复材层与金属内胆剥离，会引起金属内胆电化学腐蚀，严重影响气瓶使用寿命和安全性。本优选实施例采用了特殊的尼龙材料——尼龙11静电涂层粉末涂料，其为一种热塑性高分子材料,球形颗粒易于流平、涂覆内胆1的封头和瓶嘴及工件边缘，具有很好的力学性能，其抗拉强度，韧性，耐反复冲击振动，耐应力开裂，绝缘性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能都很突出，并且金属材料的附着力强，抗撕裂性能优异，具体参数参见表1。

表 1。

项目	性能	项目	性能
				熔点/℃	186	断裂伸长率/%	250
密度/g.cm-3	1.04	邵氏硬度HS	70-80
				连续使用最高温度/℃	100	冲击强度N.cm	＞10
间断使用最高温度/℃	130	弯曲（Gadner φ6 mm 棒）	合格
				拉伸强度/MPa	40-50	耐盐雾性，2000h	很好
最低使用温度/℃	-50	毒性	无

结合涂层2的厚度在200um至300um之间。这个厚度既能够有效防止气瓶内部内胆和强度层间的腐蚀和分离，同时在长期充装的条件下不会出现涂层开裂的现象，也能够表现出与金属内胆很好的附着力，亦不会出现涂层脱落的现象。

结合涂层2为使用静电涂层粉末，其为热塑性高分子材料，粉末为球形颗粒，易于流平、能均匀涂覆气内胆的封头和瓶嘴及工件边缘。

结合涂层2采用热喷涂法在内胆1表面均匀喷涂而成，具体为：首先，将内胆进行预热；然后，在高压静电场环境下，用喷枪将静电涂层粉末均匀喷到内胆表面；在预定的温度条件下固化10分钟到20分钟。该方法产生的涂层具有很好的力学性能，其抗拉强度，韧性，耐反复冲击振动，耐应力开裂，绝缘性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能突出，并且在金属材料上的附着力强，抗撕裂性能优异。

强度层3在缠绕在内胆1外表面时，首先对碳纤维施加一定的预应力后，再经胶液体系浸润后缠绕于内胆表面，以使内胆和强度层之间形成预定的拉-压应力。在自紧水压后，使内胆具有压应力，强度层具有拉应力，有利于提高气瓶的疲劳性能，延长使用寿命到至少15年。

碳纤维-环氧体系材料缠绕形成强度层，缠绕过程是通过计算机程控进行的。缠绕前，选用符合设计要求的内胆，测量内胆尺寸（包括筒身段长度，封头高度，极孔直径，瓶嘴长度），根据设计好的铺层，进行定制化的缠绕程序设计。随后，选用抗拉强度不低于4200MPa的碳纤维，按抽纱方向装入纱架；将碳纤维安装过纱路径引入盛有胶液的胶槽，穿至绕纱嘴；按60m/min的速度，采用环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕重叠的方式进行缠绕；并根据梯度张力施加方法逐层降低张力，实时监测张力的变化情况、胶含量变化、实际展纱宽度、线型排布情况，保证设计的工艺参数在缠绕过程中能够得到准确的体现。最后按照设计的固化制度固化，具体为将碳纤维缠绕完成的压力容器放入升温的固化炉固化，且在过程中进一步升高固化炉温度以充分固化。

外保护层4由玻璃纤维-环氧体系复合材料制成。这样外保护层4的抗冲击性能好，补偿了碳纤维复合材料抗冲击性能较差的不足。

上述的方式制造出的高压气瓶，优选的容积为35L至200L，工作压力不低于35MPa，使用寿命达到15年以上。

本发明并不限于前述实施方式，本领域技术人员在本发明技术精髓的启示下，还可能做出其他变更，但只要其实现的功能与本发明相同或相似，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于：所述高压气瓶的壁由内到外依次包括：由钢制成的内胆；由尼龙材料制成的结合涂层；由碳纤维-环氧体系复合材料制成的强度层；外保护层。

2.根据权利要求1所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述内胆由铬钼钢管旋压成型，并进行整体调质处理。

3.根据权利要求1所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述结合涂层厚度在200um至300um之间。

4.根据权利要求3所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述结合涂层为使用电涂层粉末，采用热喷涂法在内胆表面均匀喷涂而成。

5.根据权利要求4所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述的热喷涂法包括以下步骤：

首先，将内胆进行预热；

然后，在高压静电场环境下，用喷枪将静电涂层粉末均匀喷到内胆表面；

在预定的温度条件下固化10分钟到20分钟。

6.根据权利要求1所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述强度层在缠绕在内胆外表面时，首先对碳纤维施加一定的预应力，再经胶液体系浸润后缠绕于内胆表面，以使内胆和强度层之间形成预定的拉-压应力。

7.根据权利要求1所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述碳纤维-环氧体系材料缠绕形成强度层的步骤为：

选用抗拉强度不低于4200MPa的碳纤维，按抽纱方向装入纱架；

将碳纤维按照过纱路径引入盛有胶液的胶槽，穿至绕纱嘴；

按不大于60m/min的速度，采用环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕重叠的方式进行缠绕；

缠绕完成后，将得到的产品放入固化炉进行升温固化。

8.根据权利要求1所述的空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述碳纤维-环氧体系材料在形成强度层的缠绕过程中，逐层降低缠绕的张力。

9.根据权利要求1所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于，所述外保护层由玻璃纤维-环氧体系复合材料制成。

10.根据权利要求1中所述的用于空气动力车的高压气瓶，其特征在于：所述高压气瓶的容积为35L至200L，工作压力不低于35MPa。