CN104015345B - 超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全缠绕碳纤维增强不锈钢内胆的复合材料高压气瓶的缠绕成型工艺方法，包括环氧树脂体系的处理、碳纤维的处理、缠绕方式及线性排布、固化制度。本发明采用小缠绕角稳定缠绕，封头采用包络圆扩孔方案，并采用分层固化的成型方式和合适的张力递减制度，该缠绕成型工艺方法，保证了其高性能的技术指标要求，超高压复合材料气瓶，其工作压力60MPa，液压强度90MPa，爆破强度不小于150MPa，复合材料瓶体重量不大于12.5Kg，容积9.1L。

Description

超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料气瓶成型方法，尤其涉及一种全缠绕碳纤维增强不锈钢内胆的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法。

背景技术

复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸机及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域，如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空航天系统等，也可用于某些压缩气瓶和液化气体及其混合物。一般工作压力不大于35MPa。

随着航天航空领域的应用和需求的不断发展，对气瓶提出来压力更高，质量更轻的要求。对于厚壁缠绕制造技术水平提出了更高的要求，如何保证增强纤维强度得到有效的发挥，在保证高性能指标条件下，达到最大限度的减重成为本领域渴望解决的技术难题。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，解决了厚壁全缠绕复合材料超高压气瓶缠绕成型制造的难题，实现了高性能和减重的目的。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1，环氧树脂体系配制：将环氧树脂放入烘箱中45℃烘烤1～2h后进行环氧树脂体系配置；环氧树脂体系配置后进行水浴预热，预热温度35±5℃；所述的环氧树脂体系配置由下述原料按重量份数比配置而成，环氧树脂618：固化剂甲基四氢苯酐：促进剂DMP30=60-150:40-120:0.4-3；

步骤2，碳纤维处理：缠绕用碳纤维贮存在干燥的环境，生产前进行脱水处理；

步骤3，缠绕：对钢制内胆外表面进行全缠绕，缠绕过程中采用张力递减制度，并采用分层固化的成型方式，封头采取包络圆扩孔方案；缠绕方式为，在钢制内胆上进行环向和纵向缠绕相结合；

步骤4，固化制度：采用分层固化制度，第一次固化制度：90℃/1h+120℃/3h；随炉降温到50℃以下；第二次固化制度：90℃/1h+120℃/3h+160℃/3h；随炉降温到50℃以下方可出炉。

所述的步骤1中，环氧树脂体系配置由下述原料按重量份数比配置而成，环氧树脂618：固化剂甲基四氢苯酐：促进剂DMP30=100:85:1.5。

所述的步骤1中，配置完成后的环氧树脂体系胶液适用期在8h以内。

所述的步骤2中，将碳纤维放入带有鼓风的烘干箱中，105℃条件下保温3～4h。

所述的步骤3中，碳纤维缠绕线型排布为：1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环—4层环向—第一次固化；1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—2层环向—第二次固化。

所述的步骤3中，碳纤维缠绕纱团数为2团纱；缠绕角12.2°。

所述的步骤3中，环向缠绕速度控制在10～60r/min，纵向循环缠绕速度控制在10～30r/min。

所述的步骤3中，每层缠绕完成后进行刮胶处理，至表面无明显积胶。

本发明的优点效果如下：

钢制内胆采用小缠绕角稳定缠绕，封头极孔周采用包络圆扩孔方案，并采用分层固化的成型方式和张力递减制度，可以解决厚壁缠绕容器内外各层纤维初始张力偏低的问题，减缓树脂含量沿壁厚不均匀的现象；减轻纤维在极孔附近的堆积现象，使纤维在极孔周分布更均衡；从而提高内外层质量的均匀性，更有效的发挥增强材料碳纤维优异的力学性能，达到设计的高性能指标要求。

使用本发明所述的成型工艺方法适用于高压气瓶，充填和贮存一次性使用的高压氮气。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1、钢制内胆，2、缠绕层。

具体实施方式

以下参照附图，结合具体实施例，详细描述本发明的具体步骤。

实施例

如图1所示，超高压复合材料气瓶，包括钢制内胆、过渡层、缠绕层、外防护层。所述的钢制内胆为不锈钢焊接内胆，采用机械加工、旋压拉伸成筒身段壁厚为1.5mm的两个半个内胆，通过氩弧焊焊接一条环向焊缝而得到的整体不锈钢内胆。所述的过渡层为不锈钢内胆表面与碳纤维缠绕层之间的绝缘层。所述的外防护层为高强玻璃纤维增强的缠绕层。

本发明的具体工艺步骤如下：

步骤1、环氧树脂体系配制：将环氧树脂放入烘箱中烘烤，温度：45℃，时间：1～2h。环氧树脂体系配置由下述原料按重量份数比配置而成，环氧树脂618：固化剂甲基四氢苯酐：促进剂DMP30=100:85:1.5。配置后进行水浴预热，水浴预热温度35±5℃，所述环氧树脂体系胶液适用期控制在8h内，要求胶液每次配制质量不大于1.5Kg，生产过程中胶液不足时，可以按质量比例配制，并添加。

步骤2、碳纤维处理：缠绕用碳纤维贮存在干燥的环境，生产前进行脱水处理，将碳纤维放入带有鼓风的烘干箱中，温度105℃，保温3～4h。连续生产时，碳纤维张力箱中可放入干燥剂或防潮砂。

步骤3、缠绕：对钢制内胆外表面进行全缠绕，缠绕过程中采用张力递减制度，即张力逐层有规律的递减，以使缠绕层内外各层纤维的初始应力状态相同，从而在容器充压后，内外层纤维能同时承受载荷；并采用分层固化的成型方式，封头采取包络圆扩孔方案，在封头缠绕过程中，为防止或减轻纤维在封头极孔附近产生堆积和架空现象，封头极孔的纤维缠绕包络圆应逐渐扩大。通过第3、4、5层纵向循环扩孔来实现；以减轻纤维在极孔附近的堆积现象。

缠绕方式为：在钢制内胆上进行环向和纵向缠绕相结合。

碳纤维缠绕线型排布为：1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环（扩孔）—4层环向—第一次固化；1层纵向循环（扩孔）—3层环向—1层纵向循环（扩孔）—3层环向—1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—2层环向—第二次固化；碳纤维缠绕纱团数为2团纱；缠绕角12.2°。其中第3、4、5层纵向循环包络圆扩孔。

缠绕速度快慢必须保证纤维完全浸润树脂，且便于操作者观察线型为宜。环向缠绕速度控制在10～60r/min，纵向缠绕速度控制在10～30r/min。

缠绕过程中保证每层纤维应是连续的，每层缠绕完后需要进行刮胶处理，至表面无明显积胶。

步骤4、固化制度：采用分层固化制度，第一次固化制度：90℃/1h+120℃/3h；随炉降温到50℃以下；第二次固化制度：90℃/1h+120℃/3h+160℃/3h。随炉降温到50℃以下方可出炉。

本发明生产出的超高压复合材料气瓶工作压力60MPa，液压强度90MPa，爆破强度不小于150MPa，复合材料瓶体重量不大于12.5Kg。

Claims (8)

1.超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于包括下述步骤，

步骤1，环氧树脂体系配制：将环氧树脂放入烘箱中45℃烘烤1～2h后进行环氧树脂体系配置；环氧树脂体系配置后进行水浴预热，预热温度35±5℃；所述的环氧树脂体系配置由下述原料按重量份数比配置而成，环氧树脂618：固化剂甲基四氢苯酐：促进剂DMP30=60-150:40-120:0.4-3；所述环氧树脂体系胶液适用期控制在8h内，要求胶液每次配制质量不大于1.5Kg；

步骤2，碳纤维处理：缠绕用碳纤维贮存在干燥的环境，生产前进行脱水处理；

步骤3，缠绕：对钢制内胆外表面进行全缠绕，缠绕过程中采用张力递减制度，并采用分层固化的成型方式，封头采取包络圆扩孔方案；缠绕方式为，在钢制内胆上进行环向和纵向缠绕相结合；

步骤4，固化制度：采用分层固化制度，第一次固化制度：90℃/1h+120℃/3h；随炉降温到50℃以下；第二次固化制度：90℃/1h+120℃/3h+160℃/3h；随炉降温到50℃以下方可出炉。

2.根据权利要求1所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤1中，环氧树脂体系配置由下述原料按重量份数比配置而成，环氧树脂618：固化剂甲基四氢苯酐：促进剂DMP30=100:85:1.5。

3.根据权利要求1所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤2中，将碳纤维放入带有鼓风的烘干箱中，105℃条件下保温3～4h。

4.根据权利要求1所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤3中，碳纤维缠绕线型排布为：1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环—4层环向—1层纵向循环—4层环向—第一次固化；1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—3层环向—1层纵向循环—2层环向—第二次固化。

5.根据权利要求4所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤3中，碳纤维缠绕纱团数为2团纱；缠绕角12.2°。

6.根据权利要求4所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤3中，环向缠绕速度控制在10～60r/min，纵向循环缠绕速度控制在10～30r/min。

7.根据权利要求4所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤3中，每层缠绕完成后进行刮胶处理，至表面无明显积胶。

8.根据权利要求4所述的超高压复合材料气瓶缠绕成型工艺方法，其特征在于所述的步骤3中，第3、4、5层纵向循环包络圆扩孔。