CN112856210A - 一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐及其制作方法，包括塑料内胆、凸台和复合材料缠绕层；塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层；阻隔层的表面采用长丝缠绕构成结构层；阻隔层包括第一组碳纤维和第二组碳纤维；第一组碳纤维与所述第二组碳纤维之间采用交错碳纤维编织；本发明通过在塑料内胆和结构层之间，增加编织碳纤维和高延展性树脂构成的阻隔层，分担塑料内胆的缠绕轴和防渗漏功能以及分担外部结构纤维层载荷；通过阻隔层编织方式的设计可以控制阻隔层载荷的传递和分布，阻隔层碳纤维第一失效模式为由编织模式设计决定的负载超荷引起的碳纤维有序断裂而导致的撕裂，失效发生时内容气体将沿外层结构层孔隙发生泄露。

Description

一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐及其制作方法

技术领域

本发明涉及储罐技术领域，特别地是一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐及其制作方法。

背景技术

我国现有储氢瓶，主要为35Mpa三型瓶。金属氢脆效应随储氢压力升高更显著，直接沿用现有三型瓶技术路线升级空间受到限制。采用塑料内胆缠绕的70Mpa四型瓶，具有耐腐蚀、重量轻、强度高度的特点，具有良好的发展前景。

具有内胆的常规复合材料缠绕压力容器，其上的复合材料外层通常设计用于防止由于瓶体破裂而引起的结构破坏，而内胆则设计用于容纳封闭的流体。而这导致使压力容器的结构设计与其流体容纳的要求出现明显的脱钩。这会出现一以下三种实际的结果。首先，压力容器中的内胆在承受压力容器的内部压力负荷方面效率不高，这使得内胆成为容易重量增加的负担。第二，当压力过高时，常规具备内胆的压力容器的失效模式，实质上是整体结构壳体的灾难性爆破，而不是通过内胆的泄漏。然而，对于许多应用场景而言，在单独加压和循环加压下都需要实现在“爆裂前泄漏”的故障失效性能，因为它大大降低了压力容器发生破坏性破坏而导致人身伤害或死亡的可能性。

为了解决上面提到的第一个问题，并且为了最小化复合材料压力容器的重量，期望减少内胆的质量，同时防止泄露。为了解决上面的第二个问题，并且为了将复合压力容器设计为对良性的“爆裂前泄漏”故障模式，希望减少内胆承担的结构功能，并明确结构失效原因；为此，本发明提供一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐结构及其制作方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐结构及其制作方法，阻隔层可提供出色的阻隔性能和负载能力，使内胆质量大大降低；另一方面，阻隔层可以设计成具有可预测性的刚度和应变断裂性能，从而可以在阻隔纤维层和外部结构纤维层之间实现有效的结构载荷分担，并具有从应变到泄露的高度可预测性的泄漏失效响应。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，包括塑料内胆、凸台和复合材料缠绕层；凸台位于瓶体的两端，与塑料内胆同轴，用于固定瓶阀接口和在复合材料缠绕过程中固定旋转轴；其中：所述塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层；所述阻隔层的表面采用长丝缠绕构成结构层；所述阻隔层包括第一组碳纤维和第二组碳纤维；所述第一组碳纤维与所述第二组碳纤维之间采用交错碳纤维编织，通过所述阻隔层编织方式的设计可以控制阻隔层载荷的传递和分布，阻隔层碳纤维第一失效模式为由编织模式设计决定的负载超荷引起的碳纤维有序断裂而导致的撕裂，失效发生时内容气体将沿外层结构层孔隙发生泄露。

进一步地，所述阻隔层承担响应于内部增压而在储罐内产生的总载荷的预定比例，远高于所述塑料内胆所承受的比例。

进一步地，所述第二组碳纤维的每条碳纤维以特定角度的张力角相交织于所述第一组碳纤维的一个或者多个碳纤维。

进一步地，所述第二组碳纤维的每条碳纤维以一个或者多个角度的张力角相交织于所述第一组碳纤维的一个或者多个碳纤维。

进一步地，所述结构层采用预浸丝或切割单向预浸带或湿法缠绕分为螺旋和倾斜层交替缠绕。

进一步地，所述阻隔层树脂采用高延展性材料，在阻隔层碳纤维发生断裂失效前不应发生断裂。

进一步地，所述阻隔层包括多于两组不同的碳纤维，不同碳纤维的角度和拉伸载荷相对可被调节，以实现对刚度和强度性能的多种影响。

进一步地，所述阻隔层包括经编织碳纤维和纬编织碳纤维；所述经编织碳纤维与所述纬编织碳纤维之间采用平纹编织或斜纹编织。

进一步地，一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐的制作方法，包括以下步骤：

S1、通过等离子体表面处理等方法改善塑料内胆的表面张力；

S2、在塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层，可以使用树脂传递模塑，真空辅助树脂传递模塑，碳纤维缠绕，碳纤维铺放或离心铸造来生产所述阻隔层，对所述阻隔层进行固化或最终缠绕完成后统一固化；

S3、在阻隔层表面上采用长丝缠绕，构成结构层，结构层分为螺旋和倾斜层交替缠绕，可使用预浸丝、切割单向预浸带或湿法缠绕进行交替缠绕；

S4、固化所述结构层形成复合结构储罐。

进一步地，在所述步骤S3中，所述结构层的碳纤维和树脂与所述阻隔层具有良好的相容性。

本发明的有益效果：

1)本发明通过在塑料内胆和结构层之间，增加编织碳纤维和高延展性树脂构成的阻隔层，分担塑料内胆的结构和防渗漏功能。由于内胆在复合材料储氢瓶的结构载荷贡献远小于阻隔层和结构层，而阻隔层载荷设计低于结构载荷，阻隔层失效模式主要为碳纤维断裂而导致的撕裂，从而导致内部加压物从结构层的微隙中泄漏。阻隔层以碳纤维断裂为主的失效模式可预测，从而可以设计出具有高度可重复性和可预测性的泄漏失效响应的防爆裂塑料内胆复合材料储瓶结构。

2)结合了编织或编织碳纤维增强材料和/或高延展性树脂材料在塑料内胆外构成阻隔层，阻隔层提供了优异的防渗漏屏障功能，同时分担了内胆承担的储氢载荷。将高韧性树脂材料掺入到编织或编织纤维层中，可为产生微裂纹提供抵抗力。当复合压力容器单独加压或在使用过程中承受压力循环时，编织或编织纤维层可提供坚硬的保护性屏障，防止因为制造缺陷，空隙和树脂微裂纹的扩散。

附图说明

图1是本发明实施例防爆裂塑料内胆复合材料储罐结构示意图；

图2是图1的Ⅲ部放大示意图；

图3是本发明实施例碳纤维复合材料的碳纤维编织方式；

图4是本发明实施例碳纤维复合材料的另一碳纤维编织方式；

图5是本发明实施例碳纤维复合材料的另一碳纤维编织方式。

附图标记说明：1-凸台；2-结构层；3-塑料内胆；4-阻隔层。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1和图2所示，一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，包括塑料内胆3和凸台1；其中：所述塑料内胆3表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层4；所述阻隔层4的表面采用长丝缠绕构成结构层2；所述阻隔层4包括第一组碳纤维和第二组碳纤维；所述第一组碳纤维与所述第二组碳纤维之间采用交错碳纤维编织，通过所述阻隔层4编织方式的设计可以控制阻隔层载荷的传递和分布，阻隔层4碳纤维第一失效模式为由编织模式设计决定的负载超荷引起的碳纤维有序断裂而导致的撕裂，失效发生时内容气体将沿外层结构层2孔隙发生泄露。

需要说明的是，在塑料内胆3和结构层2之间，增加编织纤维和高延展性树脂构成的阻隔层4，分担塑料内胆3的结构和防渗漏功能。由于内胆在复合材料储氢瓶的结构载荷贡献远小于阻隔层4和结构层2，而阻隔层4载荷设计低于结构载荷，阻隔层4失效模式主要为碳纤维断裂而导致的撕裂，从而导致内部加压物从结构层2的微隙中泄漏。阻隔层4以碳纤维断裂为主的失效模式可预测，从而可以设计出具有高度可重复性和可预测性的泄漏失效响应的防爆裂塑料内胆3复合材料储瓶结构。

本发明防爆裂塑料内胆3复合材料储罐的结构结合了编织或编织碳纤维增强材料和/或高延展性树脂材料在塑料内胆3外构成阻隔层4，阻隔层4提供了优异的防渗漏屏障功能，同时分担了内胆承担的储氢载荷。将高韧性树脂材料掺入到编织或编织纤维层中，可为产生微裂纹提供抵抗力。当复合压力容器单独加压或在使用过程中承受压力循环时，编织或编织纤维层可提供坚硬的保护性屏障，防止因为制造缺陷，空隙和树脂微裂纹的扩散。

需要说明的是，编织材料防止微裂纹原因：

编织材料由于其在分配载荷，减轻微裂纹，空隙的产生和制造引起的缺陷的扩展以及提供可延展的，耐破坏性的阻隔层4方面的高效率，而被有效的利用于本发明的实施案例中。编织结构中的碳纤维是连续的并机械锁定，从而提供了一种自然的机制，可以在整个结构中分配载荷。这种有效的载荷分布还使编织结构非常抗冲击。由于编织结构中的所有碳纤维都承受负载，因此编织材料在破裂时将会吸收大量能量。这种编织结构因此也有效地防止了疲劳失效。像长丝缠绕结构一样，编织碳纤维呈螺旋状盘绕，但是它们还具有机械互锁的附加功能。当整体结构处于高疲劳周期时，裂纹将通过长丝缠绕或单向编织材料叠置结构的矩阵传播。但是，当编织结构出现裂纹时，裂纹的传播会被阻止在增强碳纤维的相交处。此外，当编织材料与其他编织材料嵌套在一起以生产编织复合材料时，在承受疲劳载荷时实际上没有分层。由于复合编织层相互移动，因此很少会在编织增强层之间形成并传播裂纹。编织材料的结构提供了自然的顺应性，使得在放置碳纤维时不必进行切割，缝合或以其他方式操作。

需要说明的是，在第一组实施案例中，一种全复合压力容器或储罐结构包括限定封闭内部容积的主体。压力容器的横截面结构，具有多个碳纤维树脂增强聚合物层。至少有一组增强的聚合物层被设计成阻隔层4，提供对由于冲击而引起的泄漏和/或损坏的保护屏障，同时还提供压力容器结构的所需刚度和强度的一部分。其他结构层2被设计为向压力容器结构提供剩余的所需刚度和强度。

在不同的实施例中，一个或多个阻隔层4可包括碳纤维缠绕或碳纤维缠绕的组合。当复合压力容器被单独加压或在使用过程中经受压力循环时，编织纤维层提供了防止因为制造缺陷，空隙和树脂微裂纹扩散的保护，因此这样的编织纤维层的各种实施案例中，可产生理想的阻隔性能。

具体的，本实施例方案中，所述阻隔层4承担响应于内部增压而在储罐内产生的总载荷的预定比例，远高于所述塑料内胆3所承受的比例。

具体的，本实施例方案中，所述第二组碳纤维的每条碳纤维以相同的张力角相交织于所述第一组碳纤维的一个或者多个碳纤维。需要说明的是，第一组碳纤维和第二组碳纤维均参与压力容器的内部加压反应。随着内部压力的增加，碳纤维内的张力几乎均匀地增加直到超过所有碳纤维的破裂强度。这种“均匀拉伸”(均匀张紧)的屏障阻隔设计，旨在屏障层和非屏障层之间产生有效的载荷共享性能，并在承载的任一方向上使屏障阻隔层4的断裂强度均匀。

具体的，本实施例方案中，所述第二组碳纤维的每条碳纤维以一个或者多个角度的张力角相交织于所述第一组碳纤维的一个或者多个碳纤维；从而导致两组碳纤维的不均匀张紧。碳纤维对压力容器的内部压力起反应，随着内部压力的增加，一组碳纤维内的张力比另一组碳纤维内的张力增加得更快。在该案例中，阻隔层4的设计旨在一个特定方向上(即，较高负载的碳纤维的方向)实现优先失效。

具体的，本实施例方案中，所述结构层2采用预浸丝或切割单向预浸带或湿法缠绕分为螺旋和倾斜层交替缠绕。

具体的，本实施例方案中，所述阻隔层4和所述结构层2均采用高延展性树脂材料。需要说明的是，阻隔层4设计的关键在于，其在加压下的第一破坏方式是限制在阻隔层4上的碳纤维增强材料的破裂，从而导致内部加压物的泄漏。这种以碳纤维为主的失效模式可准确预测，从而可以设计出具有高度可重复性和可预测性的泄漏失效响应的全复合材料压力容器结构。为了确保将碳纤维断裂作为第一破坏方式，阻隔层4(或多层)必须采用高延展性树脂材料，以提供对微裂纹的引发和传播的抵抗力，直至应变超过碳纤维增强材料的断裂应变能力。

具体的，本实施例方案中，所述阻隔层4包括多于两组不同的碳纤维，不同碳纤维的角度和拉伸载荷相对可被调节，以实现对刚度和强度性能的多种影响。

具体的，本实施例方案中，所述阻隔层4包括经编织碳纤维和纬编织碳纤维；所述经编织碳纤维与所述纬编织碳纤维之间采用平纹编织或斜纹编织。需要说明的是，阻隔层4中的碳纤维可以通过长丝缠绕或铺丝过程中施加，其中碳纤维以两个或更多种相交角度放置；参照图3，经编织碳纤维与纬编织碳纤维以一上一下的交织形成阻隔层4碳纤维；参照4，经编织碳纤维与纬编织碳纤维以二上二下的交织形成阻隔层4碳纤维；参照图5，经编织碳纤维与纬编织碳纤维以三上三下的交织形成阻隔层4碳纤维。

需要说明的是，在某些情况下，阻隔层是压力容器内部的第一组复合层。在一个实例中，可将一层或多层非阻隔层设置在两个阻隔层之间。在另一个实例中，一个或多个阻隔层可以设置在两个非阻隔层之间。在其他情况下，多个阻隔层可以与多个非阻隔层交错放置。

在某些情况下，阻隔层的设置会穿过压力容器的所有部分。在其他情况下，阻隔层仅横穿压力容器的一部分。

具体的，本实施例方案中，一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐的制作方法，包括以下步骤：

S1、通过等离子体表面处理等方法改善塑料内胆3的表面张力；

S2、在塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层，可以使用树脂传递模塑，真空辅助树脂传递模塑，碳纤维缠绕，碳纤维铺放或离心铸造来生产所述阻隔层4，对所述阻隔层4进行固化或最终缠绕完成后统一固化；

S3、在阻隔层4表面上采用长丝缠绕，构成结构层2，结构层2分为螺旋和倾斜层交替缠绕，可使用预浸丝、切割单向预浸带或湿法缠绕进行交替缠绕；

S4、固化所述结构层2形成复合结构储罐。

需要说明的是，防爆裂塑料内胆3复合材料储罐的制造方法通过将用于阻隔层4的碳纤维增强材料放置在经过等离子体表面处理的充气内胆上，该内胆为罐体的内部提供三维形状。然后将碳纤维树脂增强材料浸渗到阻隔层4碳纤维中，对增强层进行固化，作为结构层2的缠绕轴，使用标准的碳纤维缠绕技术将结构层2碳纤维和树脂缠绕在阻隔层4上。最后，将结构层2中的树脂固化。

具体的，本实施例方案中，在所述步骤S3中，所述结构层2的碳纤维和树脂与所述阻隔层4具有良好的相容性。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，包括塑料内胆、凸台和复合材料缠绕层；其特征在于：所述塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层；所述阻隔层的表面采用长丝缠绕构成结构层；所述阻隔层包括第一组碳纤维和第二组碳纤维；所述第一组碳纤维与所述第二组碳纤维之间采用交错碳纤维编织，通过所述阻隔层编织方式的设计可以控制阻隔层载荷的传递和分布，阻隔层碳纤维第一失效模式为由编织模式设计决定的负载超荷引起的碳纤维有序断裂而导致的撕裂，失效发生时内容气体将沿外层结构层孔隙发生泄露。

2.根据权利要求1所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，其特征在于：所述阻隔层承担响应于内部增压而在储罐内产生的总载荷的预定比例，远高于所述塑料内胆所承受的比例。

3.根据权利要求1所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，其特征在于：所述第二组碳纤维的每条碳纤维以一个或者多个角度的张力角相交织于所述第一组碳纤维的一个或者多个碳纤维。

4.根据权利要求1所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，其特征在于：所述结构层采用预浸丝或切割单向预浸带或湿法缠绕分为螺旋和倾斜层交替缠绕。

5.根据权利要求1所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，其特征在于：所述阻隔层树脂采用高延展性材料，在阻隔层碳纤维发生断裂失效前不应发生断裂。

6.根据权利要求1所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐，其特征在于：所述阻隔层包括经编织碳纤维和纬编织碳纤维；所述经编织碳纤维与所述纬编织碳纤维之间采用平纹编织或斜纹编织。

7.一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过等离子体表面处理等方法改善塑料内胆的表面张力；

S2、在塑料内胆表面铺设或缠绕预浸编织纤维层，构成阻隔层，可以使用树脂传递模塑，真空辅助树脂传递模塑，碳纤维缠绕，碳纤维铺放或离心铸造来生产所述阻隔层，对所述阻隔层进行固化或最终缠绕完成后统一固化；

S3、在阻隔层表面上采用长丝缠绕，构成结构层，结构层分为螺旋和倾斜层交替缠绕，可使用预浸丝、切割单向预浸带或湿法缠绕进行交替缠绕；

S4、固化所述结构层形成复合结构储罐。

8.根据权利要求7所述的一种防爆裂塑料内胆复合材料储罐的制作方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述结构层的碳纤维和树脂与所述阻隔层具有良好的相容性。

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