CN103383057A - 一种短切碳纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，步骤1：将金属内衬外表面加工出加强筋，步骤2：将环氧树脂和固化剂进行混合调制成胶状，并加入短切碳纤维进行搅拌混合均匀得到环氧树脂浸渍液；然后将连续碳纤维在该环氧树脂浸渍液中浸渍；步骤3：经过浸渍的连续碳纤维立即沿清洗干净的金属内衬表面加强筋形成的螺旋状沟槽或环状沟槽进行一次缠绕，至到与沟槽高度一致；接着采用螺旋缠绕和环向缠绕的组合方式进行二次缠绕，并经过固化得到缠绕碳纤维复合层；步骤4：在缠绕碳纤维复合层外表面在设置外保护层。本发明采用整体式加强筋型和掺杂短切碳纤维的碳纤维复合层，具有更高的力学强度，提高了高压气瓶的安全使用压力。
Description
技术领域
本发明属于高压气瓶的技术领域，尤其涉及增强纤维复合层的高压气瓶的生产方法。
背景技术
高压气瓶主要用于高压气体，如医用氧气、氮气等液态的储存，要求能承受20～30MPa的高压。因此制造的气瓶必须要求很高的气密性，气瓶瓶嘴的封口都采用高热旋转碾压技术进行封口。普通的高压气瓶为了确保在工作压力下的安全使用，气瓶厚度较大，造成高压气瓶重量大、携带不便且成本增加。
另外，为了使高压气瓶轻量化，已经有金属内衬复合材料的压力容器，由于高性能碳纤维具有非常高的比强度和比刚度，很适合生产轻质高压气瓶。通过将浸渍过环氧树脂的连续碳纤维按照特殊方式缠绕在金属内衬表面形成承载保护层，但由于连续碳纤维在金属内衬表面缠绕实际为单丝缠绕，单丝与单丝之间的结合力相对较低，同时形成的层与层之间的抗剪切强度相对较弱。尤其是在高压气瓶实用过程中出现碰撞时，造成高压气瓶的耐高压强度降低，对安全使用造成隐患。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种加强筋型高压气瓶，具有更高的工作压强。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，包括以下步骤：步骤1：将经过旋压封口的气瓶筒体作为金属内衬，并通过机加工方式在金属内衬外表面加工出螺旋状或环状的加强筋，并经过清洗；步骤2：将环氧树脂和固化剂进行混合调制成胶状，并加入短切碳纤维进行搅拌混合均匀得到环氧树脂浸渍液，备用；然后将连续碳纤维在该环氧树脂浸渍液中浸渍；步骤3：经过浸渍的连续碳纤维立即沿清洗干净的金属内衬表面加强筋形成的螺旋状沟槽或环状沟槽进行一次缠绕，至到与沟槽高度一致；接着采用螺旋缠绕和环向缠绕的组合方式进行二次缠绕，并经过固化得到缠绕碳纤维复合层；步骤4：在缠绕碳纤维复合层外表面在设置外保护层。
进一步改进，所述一次缠绕的连续碳纤维进行浸渍的环氧树脂浸渍液仅为环氧树脂和固化剂混合而成胶状混合液。
进一步的，步骤2所述连续碳纤维经过环氧树脂浸渍液浸渍后，总碳纤维含量为55～80%。
进一步的，步骤3中连续碳纤维在金属内衬表面进行缠绕时，金属内衬施加0.5～1.0MPa的压力。
进一步的，所述外保护层采用玻璃钢。
加强筋的高度为1～5mm，厚度为1～2mm，相邻加强筋之间的间距为0.5～2cm。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用整体式加强筋型，具有更高的力学强度，提高了高压气瓶的安全使用压力；同时利用二次缠绕碳纤维形成碳纤维复合层进一步提高了高压气瓶的安全压力，尤其是连续碳纤维浸入环氧树脂浸渍液浸渍时携带掺杂有短切碳纤维，提高了用于承载作用的缠绕碳纤维复合层的抗剪切强度，增强了高压气瓶的耐碰撞的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明所述加短切纤维掺杂的强筋型高压气瓶的结构示意图。
其中，金属瓶体1、加强筋2、碳纤维下复合层3、碳纤维上复合层4、外保护层5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种加强筋2型高压气瓶，优选采用不锈钢或钛合金制成金属瓶体1，整个瓶体的平均厚度为并通过机加工方式在瓶体表面加工形成环状加强筋2，同时形成环状的沟槽。加强筋2的高度优选为4mm，厚度2mm，且相邻加强筋2的间距为1cm。
将环氧树脂与固化剂按照比例进行配比混合后，加入8%重量比的短切碳纤维，短切碳纤维长度为2～3mm，并搅拌混合均匀得到环氧树脂浸渍液。将连续碳纤维经过浸渍后进入后续缠绕工序。
接着在环状沟槽中缠绕浸渍过环氧树脂等热固性树脂的连续碳纤维得到缠绕连续碳纤维下复合层3；继续进行第二次缠绕，此时采用螺旋缠绕和环向缠绕的组合方式得到碳纤维上复合层4。碳纤维上复合层4和碳纤维下复合层3组成缠绕碳纤维复合层。带缠绕完毕后，去除多余环氧树脂后进行固化处理。、
由于连续碳纤维在金属瓶体表面进行缠绕时就携带有短切碳纤维，进行固化后短切碳纤维在整个复合层中时杂乱无章的分布，加强了单束碳纤维之间以及层之间的结合力和抗剪切强度，进一步提高了缠绕碳纤维复合层的承载强度。
作为优选方案，所述瓶体采用机加工方式加工得到螺旋式加强筋2。此时形成的是螺旋状的沟槽，因此可以采用单根连续碳纤维做螺旋式缠绕。加强筋不仅提高了金属瓶体的力学强度，同时形成的沟槽中进行第一次碳纤维缠绕可得到嵌入式固定形态的碳纤维复合层，将原有的大面积缠绕分割成小区域缠绕提高了相对承载强度；另外与上碳纤维上复合层4多形式缠绕组合（例如螺旋缠绕和环向缠绕的组合）的相互配合，形成松紧有度的碳纤维复合层，提高了整体的气瓶安全性能。
同时发明人进一步试验了第一次缠绕得到碳纤维下复合层3的连续碳纤维在不含有短切碳纤维的环氧树脂浸渍液中浸渍后缠绕；第二次缠绕的连续碳纤维则掺杂短切碳纤维，最后进行固化。发现高压气瓶的循环使用次数略有提高，可能是由于如果下层复合层也使用高强度的碳纤维复合层会削弱加强筋的作用。因此有理由相信通过适当调整碳纤维下复合层3中掺杂的短切碳纤维的含量，从而可以得到最佳的与加强筋协同配比。
最后，在最外表面制备一层玻璃钢层作为外保护层5。
Claims (6)
1.一种短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，包括以下步骤：
步骤1：将经过旋压封口的气瓶筒体作为金属内衬，并通过机加工方式在金属内衬外表面加工出螺旋状或环状的加强筋，并经过清洗；
步骤2：将环氧树脂和固化剂进行混合调制成胶状，并加入短切碳纤维进行搅拌混合均匀得到环氧树脂浸渍液，备用；然后将连续碳纤维在该环氧树脂浸渍液中浸渍；
步骤3：经过浸渍的连续碳纤维立即沿清洗干净的金属内衬表面加强筋形成的螺旋状沟槽或环状沟槽进行一次缠绕，至到与沟槽高度一致；接着采用螺旋缠绕和环向缠绕的组合方式进行二次缠绕，并经过固化得到缠绕碳纤维复合层；
步骤4：在缠绕碳纤维复合层外表面在设置外保护层。
2.根据权利要求1所述短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，其特征在于：所述一次缠绕的连续碳纤维进行浸渍的环氧树脂浸渍液仅为环氧树脂和固化剂混合而成胶状混合液。
3.根据权利要求1所述短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤2所述连续碳纤维经过环氧树脂浸渍液浸渍后，总碳纤维含量为55～80%。
4.根据权利要求3所述短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，其特征在于：步骤3中连续碳纤维在金属内衬表面进行缠绕时，金属内衬施加0.5～1.0MPa的压力。
5.根据权利要求4所述短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，其特征在于：所述外保护层采用玻璃钢。
6.根据权利要求5所述短切纤维掺杂的加强筋型高压气瓶的生产方法，其特征在于：加强筋的高度为1～5mm，厚度为1～2mm，相邻加强筋之间的间距为0.5～2cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Song Zuotao Inventor after: Yan Yong Inventor after: Dan Shuguang Inventor after: Jin Quanguo Inventor before: Yan Yong Inventor before: Dan Shuguang Inventor before: Song Youtao Inventor before: Jin Quanguo |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: YAN YONG DAN SHUGUANG SONG YOUTAO JIN QUANGUO TO: SONG ZUOTAO YAN YONG DAN SHUGUANG JIN QUANGUO |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Song Zuotao Inventor after: Yan Bing Inventor after: Dan Shuguang Inventor after: Jin Quanguo Inventor before: Song Zuotao Inventor before: Yan Yong Inventor before: Dan Shuguang Inventor before: Jin Quanguo |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201208 Address after: 232000 No. 56 Brewery Road, Huainan Economic and Technological Development Zone, Anhui Province Patentee after: HUAINAN YISHENG BEER Co.,Ltd. Address before: 212400, No. 6, rabbit Industrial Park, Zhenjiang, Jiangsu, Jurong Patentee before: JIANGSU JIUWEI HIGH PRESSURE VESSEL MANUFACTURE Co.,Ltd. |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Production method of short cut carbon fiber doped stiffener type high pressure gas cylinder Effective date of registration: 20211014 Granted publication date: 20150325 Pledgee: Huainan Tongshang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Development Zone sub branch Pledgor: HUAINAN YISHENG BEER Co.,Ltd. Registration number: Y2021980010695 |