CN102748584A

CN102748584A - 一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法

Info

Publication number: CN102748584A
Application number: CN2011100977342A
Authority: CN
Inventors: 张增营; 谭轶谦; 解越美; 岳建飞; 张金秀
Original assignee: BEIJING TIANHAI INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: BEIJING TIANHAI INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明涉及一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶制造工艺方法，该复合气瓶的主要承载结构是铝内胆和碳纤维缠绕层，其筒体部分上的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成，碳纤维全缠绕层的表面上缠绕玻璃纤维层作为复合气瓶的抗冲击保护层。经该工艺方法生产的铝内胆全缠绕复合气瓶主要技术指标为：安全系数n≥3.4，疲劳循环次数N≥10000次，满足了合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量的条件下能够承受最大的爆破压力，使其破裂位置位于气瓶筒体部位、无碎片，并在给定的工作压力下复合气瓶的铝内胆始终处于弹性变形状态，保证复合气瓶具有持久、良好的气密性能和最佳安全性能。

Description

一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料高压气瓶，特别是铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶。

技术背景

铝内胆碳纤维全缠绕复合材料气瓶是近几年发展起来的一种新材料气瓶。过去，人们使用钢质高压气瓶作为储存压缩空气或氧气的容器，呼吸器的高压供气部件，钢质气瓶与其相比具有重量重、使用时间短，在耐腐蚀、安全性等性能方面也较铝内胆碳纤维全缠绕复合材料气瓶差，将钢质气瓶用于自给正压式呼吸器，装具自重明显给使用者造成不便。钢质高压气瓶器如遇到意外事故，其破裂属突发性破片模式，会有碎片飞出伤人，其安全性能、疲劳寿命、耐腐蚀性能、抗火烧性能和闭气性能都比较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种安全性能好、疲劳寿命长，耐腐蚀性能、抗火烧性能和闭气性能均佳的气瓶。

为解决上述技术问题，本发明采用一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法，复合气瓶由内至外四部分组成，铝内胆、防电腐蚀涂层、碳纤维缠绕层、玻璃纤维缠绕层，工艺流程包括：

步骤一：一次成型铝内胆；

步骤二：在铝内胆外表面涂一层防电腐蚀涂层；

步骤三：在铝内胆筒体部分，采用T700-12KC碳纤维进行由环向螺旋缠绕层和纵向缠绕纤维层铺层次序交替缠绕完成碳纤维缠绕层：

(1)进行环向缠绕，在筒体中部约占筒体65％-75％部分使用带宽6.5-7.5mm的纱带片等厚缠绕，在筒体至瓶颈及瓶底两段使用带宽5.5-6.5mm的纱带片增厚缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角85度至95度，进行每层纱带片数70-85为数6-7层的循环缠绕；

(2)进行纵向缠绕，使用宽度5.5-6.5mm的纱带片缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角9度至12度及20度至23度，分别进行每层纱带片数90-95为数1-2层的循环缠绕；

(3)进行环向缠绕，在筒体中部约占筒体65％-75％部分使用带宽6.5-7.5mm的纱带片等厚缠绕，在筒体至瓶颈及瓶底两段使用带宽5.5-6.5mm的纱带片增厚缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角85度至95度，进行每层纱带片数70-85为数2-3层的循环缠绕；

(4)进行纵向缠绕，使用宽度5.5-6.5mm的纱带片缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角9度至12度及20度至23度，分别进行每层纱带片数90-95为数1-2层的循环缠绕；

(5)在铝内胆的瓶底、瓶肩部分采用纵向螺旋缠绕，其铺层顺序与筒体纵向螺旋缠绕纤维层一致；

进行碳纤维缠绕层缠绕时，单股纤维的平均张力：T＝10～20(N/股)，并在缠绕过程中适当地控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为Vf＝0.60～0.70。

步骤四：在碳纤维全缠绕层的表面上采用2-4股玻璃纤维纱缠绕：

(1)进行环向缠绕，使用带宽6.5-7.0mm的纱带片缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角85度至95度，进行每层纱带片数60-68为数1-2层的循环缠绕；

(2)进行纵向缠绕，使用宽度6.5-7.0mm的纱带片缠绕，以纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的缠绕角10度至15度，进行每层纱带片数75-85为数1-2层的循环缠绕；

步骤五：将缠绕后的复合气瓶放入固化炉中固化成型，温至120℃±10℃保温2-4小时，然后炉内温度缓慢降至室温；

步骤六：将成型后的复合气瓶加压PA＝55-60MPa，使其完全进入塑性变形状态后，泄压至零。

铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的设计和制造与钢质气瓶属于两个截然不同的领域，是正在探索的高新领域，经该工艺方法生产的铝内胆全缠绕复合气瓶主要技术指标为：安全系数n≥3.4，疲劳循环次数N≥10000次，满足了合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量的条件下能够承受最大的爆破压力，使其破裂位置起始于复合气瓶的筒体部位、无碎片，并且在给定的工作压力下复合气瓶的铝内胆始终处于弹性变形状态，保证复合气瓶具有持久、良好的气密性能和最佳的安全的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶结构图。

图2为本发明铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶结构图1筒体部分A的局部剖视图。

其中：1-筒体部分；2-瓶底部分；3-瓶肩部分；4-瓶口部分；5-防电腐蚀涂层；6-纵向碳纤维缠绕层；7-环向碳纤维缠绕层；8-抗冲击玻璃纤维保护层；L₀-瓶底部分矢高；D-筒体部分内径；L₁-筒体部分高度；L₄-筒体两端的过渡部分高度；L₂-瓶肩部分矢高；L₃-瓶口部分长度。

具体实施方式

铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶包括瓶底部分2、筒体部分1、瓶肩部分3和瓶口部分4，其主要承载结构是由铝内胆和碳纤维缠绕层6和7，结构如图1所示，本发明根据其功能要求，采用复合材料结构有限元分析对铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶进行铺层次序的优化设计，如图2所示，以无缝铝内胆为芯模、铝内胆表面上按优化设计的铺层顺序进行T700-12KC碳纤维缠绕，外表面上缠绕玻璃纤维作为抗冲击保护层8，并在制造过程中对复合气瓶进行“自紧”处理，具体实施方式为：

(1)一次成型铝内胆芯模。

(2)在铝内胆的外表面上涂抹一层聚氨酯清漆作为防电腐蚀层5。

(3)碳纤维缠绕层6和7的缠绕工艺参数：

碳纤维纱团数为2～4团纱，碳纤维缠绕线型(缠绕角、带宽、铺层顺序及每个循环层纱带片条数)见(表一)

表一

(4)缠绕时单股纤维的平均张力：T＝10～20(N/股)，并在缠绕过程中适当地控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为Vf＝0.60～0.70。

(5)采用2～4股玻璃纤维纱在碳纤维层上缠绕，一个纵向循环层，一个环向缠绕层，作为抗冲击玻纤保护层8。玻璃纤维缠绕线型见(表二)

表二

(6)放入固化炉进行固化成型，温120℃±10℃保温2～4小时，然后气瓶在炉内缓慢降至室温。

(7)将固化成型后的铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶按照“自紧”压力PA＝55～60MPa对复合气瓶进行“自紧”处理。

按照本发明具体实施方式制造的铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶主要的技术指标为：

1)空瓶的重量W≤6.5KG

2)水压试验压力作用下体积残余变形率V_δ≤5％。

3)安全系数n＝3.4，最小爆破压力Pb＝102MPa。

4)疲劳循环次数N≥10000(次)

本发明中铝内胆的材料特性满足等向硬化Von Mises塑性屈服准则，碳纤维缠绕层为线弹性材料满足最大拉应力破坏准则。对成型后的复合气瓶进行“自紧”处理提高了铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的疲劳寿命、气密性能。

成型后的铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶满足合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量的条件下能够承受最大的爆破压力(安全系数n≥3.4)。使其破裂位置起始于复合气瓶的筒体部位、无碎片，在给定的工作压力下复合气瓶的铝内胆始终处于弹性变形状态，保证复合气瓶具有持久、良好的气密性能和最佳的安全性能。

Claims

1.一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法，复合气瓶由内至外四部分组成，铝内胆、防电腐蚀涂层、碳纤维缠绕层、玻璃纤维缠绕层，工艺流程如下：

步骤一：一次成型铝内胆；

步骤二：在铝内胆外表面涂一层防电腐蚀涂层；

步骤三：在铝内胆筒体部分，碳纤维缠绕层由环向螺旋缠绕层和纵向缠绕纤维层铺层次序交替缠绕完成：

2.根据权利要求1所述的一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法，其特征在于：进行碳纤维缠绕层缠绕时，单股纤维的平均张力T＝10-20(N/股)。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的生产工艺方法，其特征在于：进行碳纤维缠绕层缠绕时，纤维体积含量应为Vf＝0.60-0.70。