CN107642678A - 一种三维编织压力气瓶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维编织压力气瓶及其制备方法，压力气瓶，包括金属内胆层、介质进出口和三维编织复合材料外层，介质进出口设置与金属内胆层一端的开口处共同构成气瓶内层，使得气体能够通过介质进出口进出金属内胆层，三维编织复合材料外层包覆在气瓶内层外部，三维编织复合材料外层由三维编织立体织物与树脂重复浸渍复合而成，三维编织立体织物由内向外依次包括三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层，同时三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层通过二维铺缝强化结构进行缝合强化。该压力气瓶采用新型的混杂材质和结构，能够适应不同的耐压环境，同时可适应不同的应用气候环境，有效避免层间薄弱造成的压力容器破坏问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型材质及结构的压力容器，特别涉及一种利用碳纤维及其它纤维混杂材质的三维编织与层间铺缝强化复合结构压力气瓶。
背景技术
复合材料压力容器具有重量轻、耐腐蚀、刚性好、耐冲击性强、可设计性强以及失效前期可预测以及破坏杀伤力小等诸多优点，已经广泛运用在航空航天、船舶、汽车，抢险救生、医疗卫生等多个领域。
目前复合材料压力容器的制作主要是利用高性能纤维浸渍树脂之后，在筒状或管状模具表面进行纵向和环向缠绕，然后固化成型后脱模制备。此种复合材料压力容器的结构中包括内衬骨架芯模，同时在外部才是复合材料缠绕层，从厚度截面上看，是通过连续纤维纵向或环向交替缠绕成型，在固化成型后，厚度面上的纤维仍然是二维叠层基本纤维排布形式。因此这种二维排布的纤维与纤维单丝层间将必然成为耐压环境的力学薄弱点。在复合材料压力容器的结构研究及应用尝试方面，美国一直走在世界前列，在军用飞机、军用战舰等军事装备上大量使用复合材料压力气瓶，到目前为止，为了解决轻量化的需求，国内许多公司也在进行复合材料压力气瓶的研究，但是压力容器气瓶的耐压稳定性和耐冲击以及耐腐蚀等寿命仍然受到了缠绕工艺的限制，也成为复合材料压力气瓶制备和设计的技术难点。
鉴于此，迫切需要找到一种新型结构在解决复合材料压力气瓶的层间力学性能较差的问题，发挥复合材料整体性能，提高层与层之间的协同效应，提高压力气瓶的耐压强度、耐疲劳和耐爆破特性。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种三维编织压力气瓶及其制备方法，该压力气瓶采用新型的混杂材质和结构，能够适应不同的耐压环境，同时可适应不同的应用气候环境，有效避免层间薄弱造成的压力容器破坏问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种三维编织压力气瓶，包括金属内胆层、介质进出口和三维编织复合材料外层，所述介质进出口设置与金属内胆层一端的开口处共同构成气瓶内层，使得气体能够通过介质进出口进出金属内胆层，所述三维编织复合材料外层包覆在气瓶内层外部，所述三维编织复合材料外层由三维编织立体织物与树脂重复浸渍复合而成，所述三维编织立体织物由内向外依次包括三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层，同时所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层通过二维铺缝强化结构进行缝合强化。
所述二维铺缝强化结构为在三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层叠层后进行Z向缝合的纱线。
优选的，所述属内胆层的材质为高强度铝合金、钛合金或合金不锈钢，所述介质进出口的材质为高强度铝合金、钛合金或合金不锈钢。
优选的，所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层采用的纤维均为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的一种或多种。
优选的，所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层的结构均为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构组合。
优选的，所述三维编织复合材料内层的厚度为4-50mm。
优选的，所述三维编织复合材料表层的厚度为3-30mm。
优选的，所述二维铺缝强化结构采用的纤维均为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的一种或多种。
优选的，所述树脂为热固性树脂或热塑改性的热固性树脂。
进一步优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
进一步优选的，所述热塑改性的热固性树脂为聚氨酯改性的热固性树脂、聚乙烯改性的热固性树脂或聚苯硫醚改性的热固性树脂。
一种三维编织压力气瓶的制造方法，在金属内胆层的外表面依次进行三维立体编织形成三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层，再采用Z向高强度纤维缝合技术使二维铺缝强化结构将三维立体编织形成三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层进行缝合，在缝合成整体之前将介质进出口嵌入后再缝合成整体，以在金属内胆层和介质进出口的外部形成三维编织立体织物，将三维编织立体织物采用热固性树脂或热塑改性的热固性树脂进行树脂真空传递模塑成型，然后经过热固化成型及后处理获得三维编织压力气瓶。
优选的，所述三维编织复合材料内层选用碳纤维和玻璃纤维混杂的纱线进行三维织物制备。
优选的，所述三维编织复合材料内层的结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的一种或多种。
优选的，所述三维编织复合材料表层的结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的一种或多种。
优选的，所述二维铺缝强化结构为碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中的一种或多种。
优选的，所述二维铺缝强化结构的重量为三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层总重量的30-50％。
优选的，所述热固性树脂或热塑改性的热固性树脂为树脂真空传递模塑成型后三维编织复合材料外层总重量的40％-50％。
优选的，所述热固化成型采用梯度升温的工艺。
进一步优选的，所述梯度升温的工艺为首先在70-80℃保温30min-1h，然后将温度提高至100-160℃保温20min-2h。
优选的，所述后处理的条件为：温度为120-160℃，时间为2-4h。
本发明的有益效果为，本发明制备的层间加强的三维编织复合材料压力气瓶具有高强度、重量轻、耐高压、抗疲劳、刚度大、高低温稳定性好、设计制备灵活性强、使用寿命较长等优点。本发明制备的气瓶可在不同受力层选用不同材质的纤维混杂进行三维织物制备，层间通过高强度纤维铺缝强化有效避免了普通二维叠层织物的层间结合强度低的问题，大大提高了气瓶产品耐压质量和使用寿命，适用于不同耐压要求的压力容器产品。
本发明能够根据压力容器耐压要求而定三维编织压力气瓶中三维编织复合材料外层的长度，从而适用各种不同规格的压力气瓶和不同应用场合的压力容器。
附图说明
图1为本发明三维编织压力气瓶的结构示意图；
其中，1.金属内胆层，2.三维编织复合材料内层，3.三维编织复合材料表层，4.介质进出口，5.二维铺缝强化结构。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种三维编织压力气瓶，如图1所示，包括金属内胆层1、介质进出口4和三维编织复合材料外层，介质进出口4设置与金属内胆层1一端的开口处共同构成气瓶内层，使得气体能够通过介质进出口4进出金属内胆层1，三维编织复合材料外层包覆在气瓶内层外部，三维编织复合材料外层由三维编织立体织物与树脂重复浸渍复合而成，三维编织立体织物由内向外依次包括三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3，同时三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3通过二维铺缝强化结构5进行缝合强化。
下面提供几种制备该种三维编织压力气瓶的实施例。
实施例1
(1)将多种高性能纤维混合纱线在铝合金金属内胆层1上进行三维立体编织处理，其中，三维编织复合材料内层2选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为2：1，织物选用三维四向结构，该单层厚度为40mm。三维编织复合材料表层3选用碳纤维和芳纶纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为3：1，织物选用三维五向结构编织，单层厚度为30mm。
(2)根据耐压受力工况条件，将三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维，层间二维铺缝纱线的总体重量为三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3纤维重量的30％。
(3)介质进出口的埋入。在压力气瓶的三维立体织物叠层结构的端头部位编织强化结束之前，将金属材质的介质进出口4嵌入，并通过二维铺缝强化纱线的缝合预先将介质进出口固定牢固。
(4)三维编织立体织物采用环氧树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为50％，整个真空导入过程的真空度控制为1.0MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温1h，之后温度提高至120℃保温2h。
(6)后处理过程的温度为110℃，时间在4h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成压力气瓶三维混合织物整体，适用的于大型气体压力储罐，所要求的压力容器长度为2米，总体厚度为100mm。
实施例2
(1)将多种高性能纤维混合纱线在钛合金金属内胆层1上进行三维立体编织处理，其中，三维编织复合材料内层2选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为4：1，织物选用三维五向结构，该单层厚度为30mm。三维编织复合材料表层3选用碳纤维和芳纶纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为2：1，织物选用三维六向结构编织，单层厚度为20mm。
(2)根据耐压受力工况条件，将三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维，层间二维铺缝纱线的总体重量为三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3纤维重量的40％。
(3)介质进出口的埋入。在压力气瓶的三维立体织物叠层结构的端头部位编织强化结束之前，将金属材质的介质进出口4嵌入，并通过二维铺缝强化纱线的缝合预先将介质进出口固定牢固。
(4)三维编织立体织物采用环氧树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为45％，整个真空导入过程的真空度控制在0.8MPa。
(5)固化过程采用梯度升温工艺，首先在75℃保温0.5h，之后温度提高至125℃保温2.5h。
(6)后处理过程的温度为120℃，时间3h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成压力气瓶三维混合织物整体，适用的于大型气体压力储罐，所要求的压力容器长度为2米，总体厚度为70mm。
实施例3
(1)将多种高性能纤维混合纱线在硬质合金钢金属内胆层1上进行三维立体编织处理，其中，三维编织复合材料内层2选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为4：1，织物选用三维六向结构，该单层厚度为20mm。三维编织复合材料表层3选用碳纤维和玻璃纶纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为3：1，织物选用三维四向结构编织，单层厚度为10mm。
(2)根据耐压受力工况条件，将三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维，层间二维铺缝纱线的总体重量为三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3纤维重量的35％。
(3)介质进出口的埋入。在压力气瓶的三维立体织物叠层结构的端头部位编织强化结束之前，将金属材质的介质进出口4嵌入，并通过二维铺缝强化纱线的缝合预先将介质进出口固定牢固。
(4)三维编织立体织物采用不饱和聚酯树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为40％，整个真空导入过程的真空度控制在0.7MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温40min，之后温度提高至125℃保温2.5h。
(6)后处理过程的温度为110℃，时间在2h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成压力气瓶三维混合织物整体，适用的于大型气体压力储罐，所要求的压力容器长度为1.2米，总体厚度为40mm。
实施例4
(1)将多种高性能纤维混合纱线进行在铝合金金属内胆层1上三维立体编织处理，其中，三维编织复合材料内层2选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为3：1，织物选用三维七向结构，该单层厚度为25mm。三维编织复合材料表层3选用碳纤维和UHMWPE纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为1：1，织物选用三维五向结构编织，单层厚度为15mm。
(2)根据耐压受力工况条件，将三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维，层间二维铺缝纱线的总体重量为三维编织复合材料内层2和三维编织复合材料表层3纤维重量的40％。
(3)介质进出口的埋入。在压力气瓶的三维立体织物叠层结构的端头部位编织强化结束之前，将金属材质的介质进出口4嵌入，并通过二维铺缝强化纱线的缝合预先将介质进出口固定牢固。
(4)三维编织立体织物采用酚醛树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为45％，整个真空导入过程的真空度控制在0.8MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在85℃保温45min，之后温度提高至135℃保温1.5h。
(6)后处理过程的温度为120℃，时间4h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成压力气瓶三维混合织物整体，适用的于大型气体压力储罐，所要求的压力容器长度为1.5米，总体厚度为55mm。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种三维编织压力气瓶，其特征是，包括金属内胆层、介质进出口和三维编织复合材料外层，所述介质进出口设置与金属内胆层一端的开口处共同构成气瓶内层，使得气体能够通过介质进出口进出金属内胆层，所述三维编织复合材料外层包覆在气瓶内层外部，所述三维编织复合材料外层由三维编织立体织物与树脂重复浸渍复合而成，所述三维编织立体织物由内向外依次包括三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层，同时所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层通过二维铺缝强化结构进行缝合强化。
2.如权利要求1所述的一种三维编织压力气瓶，其特征是，所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层采用的纤维均为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的一种或多种；
或，所述三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层的结构均为三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构组合。
3.如权利要求1所述的一种三维编织压力气瓶，其特征是，所述三维编织复合材料内层的厚度为4-50mm；
或，所述三维编织复合材料表层的厚度为3-30mm。
4.如权利要求1所述的一种三维编织压力气瓶，其特征是，所述二维铺缝强化结构采用的纤维均为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种三维编织压力气瓶，其特征是，所述树脂为热固性树脂或热塑改性的热固性树脂。
6.一种三维编织压力气瓶的制造方法，其特征是，在金属内胆层的外表面依次进行三维立体编织形成三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层，再采用Z向高强度纤维缝合技术使二维铺缝强化结构将三维立体编织形成三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层进行缝合，在缝合成整体之前将介质进出口嵌入后再缝合成整体，以在金属内胆层和介质进出口的外部形成三维编织立体织物，将三维编织立体织物采用热固性树脂或热塑改性的热固性树脂进行树脂真空传递模塑成型，然后经过热固化成型及后处理获得三维编织压力气瓶。
7.如权利要求6所述的一种三维编织压力气瓶的制造方法，其特征是，所述二维铺缝强化结构的重量为三维编织复合材料内层和三维编织复合材料表层总重量的30-50％；
或，所述热固性树脂或热塑改性的热固性树脂为树脂真空传递模塑成型后三维编织复合材料外层总重量的40％-50％。
8.如权利要求6所述的一种三维编织压力气瓶的制造方法，其特征是，所述热固化成型采用梯度升温的工艺。
9.如权利要求8所述的一种三维编织压力气瓶的制造方法，其特征是，所述梯度升温的工艺为首先在70-80℃保温30min-1h，然后将温度提高至100-160℃保温20min-2h。
10.如权利要求6所述的一种三维编织压力气瓶的制造方法，其特征是，所述后处理的条件为：温度为120-160℃，时间为2-4h。
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