CN113400693A - 一种复合材料压力容器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料压力容器的制造方法，复合材料压力容器包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与复合材料压力容器内外相连通，包括步骤S1至步骤S6。本发明的制造方法通过设置金属内衬被电化学腐蚀的危险，通过在金属内衬和复合材料相互邻接的层间加入变形协调层不仅可以避免金属内衬被电化学腐蚀，而且可以提高金属内衬和复合材料的粘接效果，改善金属内衬的受力状态，提高压力容器，如本发明所述的气瓶的整体性能；采用在复合材料层间铺覆变形协调层的方式，能够显著提高纤维缠绕复合材料的层间效果，可有效提高压力容器的耐疲劳和抗爆破的性能，同时保护了金属内衬免受电化学腐蚀的危险。
Description
技术领域
本发明属于压力容器制造方法技术领域，更具体地说，尤其涉及一种复合材料压力容器的制造方法。
背景技术
复合材料压力容器具有重量轻、耐腐蚀性好、可设计性强、失效时无杀伤性碎片产生等许多优点，已广泛应用于航空航天、船舶、汽车、抢险救生、医疗卫生等诸多领域。
纤维缠绕复合材料成型的压力容器，其制作工艺一般采用经树脂浸渍过的纤维材料在内衬上进行纵向及环向交替连续缠绕，然后固化成型。内衬的设置是在缠绕过程中起芯模和骨架的作用。外层的复合材料层是内压载荷的主要承受层，由连续纤维经纵向或环向交替缠绕成型，固化后成为一种多层的各向异性结构。因此，复合材料层的层间行为是影响其整体性能发挥的关键。早在20世纪40年代，复合材料压力容器首次在美国军用飞机上使用；随后，国内外许多制造公司，对其进行了大量研究和开发工作，较好的解决了复合材料压力容器设计制作的技术问题。但是，随着压力容器工作压力和使用要求的提高，目前的设计制造方法较难发挥复合材料层的整体性能，纤维纵向与环向交替缠绕成型的方式，其层间效果差、层与层之间协同效应低，导致压力容器的制成品耐压强度低，耐疲劳及耐爆破性能差，无法满足先进的复合材料压力容器耐高压的技术要求。
但是随着压力容器工作压力和使用要求的提高，目前的设计制造方法较难发挥复合材料层的整体性能，纤维纵向与环向交替缠绕成型的方式，其层间效果差、层与层之间协同效应低，导致压力容器的制成品耐压强度低，耐疲劳及耐爆破性能差，无法满足先进的复合材料压力容器耐高压的技术要求，因此我们需要提出一种复合材料压力容器的制造方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，采用在复合材料层间铺覆变形协调层的方式，能够显著提高纤维缠绕复合材料的层间效果，可有效提高压力容器的耐疲劳和抗爆破的性能，同时保护了金属内衬免受电化学腐蚀的危险，而提出的一种复合材料压力容器的制造方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合材料压力容器的制造方法，复合材料压力容器包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与复合材料压力容器内外相连通，包括如下步骤：
步骤S1、使用金属材料或者非金属材料制造内衬，在金属内衬的外表面敷设粘结层；
步骤S2、纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着至少循环两次制造而成，以连续缠绕方式构成纤维缠绕复合材料层；
步骤S3、在内衬的外表面敷设粘接层，在已铺贴完粘结层的内衬外表面，采用湿法缠绕法制备纤维缠绕复合材料层；
步骤S4、在内衬与纤维缠绕复合材料层之间铺敷由高分子胶膜层形成的变形协调层；
步骤S5、高分子胶膜层上制造由纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着而形成的复合结构层并对其进行分层固化；
步骤S6、对粘结层与纤维缠绕复合材料层进行共固化。
优选的，所述内衬为球形、柱形或者环形，所述高分子胶膜的材质设置为环氧树脂，且高分子胶膜的厚度为0.1～2.0mm。
优选的，步骤S2中，所述纤维缠绕复合材料层设置为多层。
优选的，所述纤维缠绕复合材料层由纤维复合材料在所述内衬上以连续纵向及环向交替缠绕方式构成。
优选的，纤维缠绕复合材料层的连续缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。
优选的，步骤S2中，所述粘结层呈固态胶膜性状，其厚度在0.15～0.3mm之间，粘结层在敷设前其两面均用防粘隔离纸隔开，并在-18℃以下低温贮存。
优选的，按金属内衬外表面尺寸裁剪粘结层，圆筒段裁剪成长方形，球形封头和椭球封头裁剪成花瓣形；揭掉粘结层一面的防粘隔离纸，将粘结层铺贴于经表面处理的金属内衬外表面，铺贴过程中使用刮板排除裹进的气泡；如果粘结层与金属内衬外表面粘贴不实，用电吹风边加热边贴合；贴实粘结层后，揭掉粘结层另一面的防粘隔离纸。
优选的，所述粘结层的固化温度为100℃～130℃。
优选的，步骤S6中，对缠绕结束的复合材料压力容器进行固化，固化的步骤为：首先在温度60℃下固化三个小时；然后在温度90℃下固化三个小时，最后在温度140℃下固化四个小时。
优选的，所述粘结层固化后的拉伸剪切强度≥25MPa，90°剥离强度≥6.0N/mm，电阻值≥20MΩ，适用使用温度范围为-50℃～60℃。
本发明的技术效果和优点：本发明提供的一种复合材料压力容器的制造方法，与现有技术相比：本发明的纤维缠绕复合材料压力容器由金属内衬、复合材料层和变形协调层组成，变形协调层采用高分子胶膜铺覆，其中复合材料层由纤维缠绕形成，该纤维缠绕形成的复合材料层与变形协调层的组合，使呈现多层的各向异性结构能够有机的粘结为一体。因而可以最大限度的发挥复合材料各层的协同效应，显著提高其层间的应力一应变传递效率，降低负面效应的影响；
由于高性能复合材料与金属内衬的电极电位存在一定的差异，如果该容器是在潮湿的环境中工作，存在金属内衬被电化学腐蚀的危险，通过在金属内衬和复合材料相互邻接的层间加入变形协调层不仅可以避免金属内衬被电化学腐蚀，而且可以提高金属内衬和复合材料的粘接效果，改善金属内衬的受力状态，提高压力容器，如本发明所述的气瓶的整体性能；采用在复合材料层间铺覆变形协调层的方式，能够显著提高纤维缠绕复合材料的层间效果，可有效提高压力容器的耐疲劳和抗爆破的性能，同时保护了金属内衬免受电化学腐蚀的危险。
附图说明
图1为本发明复合材料压力容器的制造方法的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种复合材料压力容器的制造方法，复合材料压力容器包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与复合材料压力容器内外相连通，包括如下步骤：
步骤S1、使用金属材料或者非金属材料制造内衬，在金属内衬的外表面敷设粘结层；
步骤S2、纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着至少循环两次制造而成，以连续缠绕方式构成纤维缠绕复合材料层；
步骤S3、在内衬的外表面敷设粘接层，在已铺贴完粘结层的内衬外表面，采用湿法缠绕法制备纤维缠绕复合材料层；
步骤S4、在内衬与纤维缠绕复合材料层之间铺敷由高分子胶膜层形成的变形协调层；
步骤S5、高分子胶膜层上制造由纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着而形成的复合结构层并对其进行分层固化；
步骤S6、对粘结层与纤维缠绕复合材料层进行共固化。
所述内衬为球形、柱形或者环形，所述高分子胶膜的材质设置为环氧树脂，且高分子胶膜的厚度为0.1～2.0mm；步骤S2中，所述纤维缠绕复合材料层设置为多层；所述纤维缠绕复合材料层由纤维复合材料在所述内衬上以连续纵向及环向交替缠绕方式构成；纤维缠绕复合材料层的连续缠绕方式为环向与纵向交替缠绕；步骤S2中，所述粘结层呈固态胶膜性状，其厚度在0.15～0.3mm之间，粘结层在敷设前其两面均用防粘隔离纸隔开，并在-18℃以下低温贮存。
按金属内衬外表面尺寸裁剪粘结层，圆筒段裁剪成长方形，球形封头和椭球封头裁剪成花瓣形；揭掉粘结层一面的防粘隔离纸，将粘结层铺贴于经表面处理的金属内衬外表面，铺贴过程中使用刮板排除裹进的气泡；如果粘结层与金属内衬外表面粘贴不实，用电吹风边加热边贴合；贴实粘结层后，揭掉粘结层另一面的防粘隔离纸；所述粘结层的固化温度为100℃～130℃。
步骤S6中，对缠绕结束的复合材料压力容器进行固化，固化的步骤为：首先在温度60℃下固化三个小时；然后在温度90℃下固化三个小时，最后在温度140℃下固化四个小时；
所述粘结层固化后的拉伸剪切强度≥25MPa，90°剥离强度≥6.0N/mm，电阻值≥20MΩ，适用使用温度范围为-50℃～60℃。
纤维缠绕复合材料压力容器由金属内衬、复合材料层和变形协调层组成，变形协调层采用高分子胶膜铺覆，其中复合材料层由纤维缠绕形成，该纤维缠绕形成的复合材料层与变形协调层的组合，使呈现多层的各向异性结构能够有机的粘结为一体。因而可以最大限度的发挥复合材料各层的协同效应，显著提高其层间的应力一应变传递效率，降低负面效应的影响；由于高性能复合材料与金属内衬的电极电位存在一定的差异，如果该容器是在潮湿的环境中工作，存在金属内衬被电化学腐蚀的危险，通过在金属内衬和复合材料相互邻接的层间加入变形协调层不仅可以避免金属内衬被电化学腐蚀，而且可以提高金属内衬和复合材料的粘接效果，改善金属内衬的受力状态，提高压力容器，如本发明所述的气瓶的整体性能；采用在复合材料层间铺覆变形协调层的方式，能够显著提高纤维缠绕复合材料的层间效果，可有效提高压力容器的耐疲劳和抗爆破的性能，同时保护了金属内衬免受电化学腐蚀的危险。
对于搭载于汽车等移动体的压缩天然气、氢气的储罐，从其轻量性考虑，利用了将罐内衬(以下也称为内衬)用纤维增强复合材料进行增强的压力容器。作为纤维增强复合材料中使用的增强纤维，有玻璃纤维、碳纤维等。其中，碳纤维的单位重量强力高，因而对压力容器的轻量化有效，特别适合用于所要求的耐压性能比压缩天然气储罐高的氢气储罐。
使用纤维增强复合材料的压力容器(以下也称为“复合材料增强压力容器”)通常通过纤维缠绕(filamentwinding，以下称为“FW”)成型来制造。FW成型为如下的成型法：将基体树脂组合物供给到一根或多根并丝而成的增强纤维束中，并使其浸渗于增强纤维束中，使浸渗后的增强纤维束以规定的张力、角度缠绕在旋转的内衬等芯轴上，之后将基体树脂组合物固化。大多情况下，在将基体树脂组合物供给到增强纤维束中并使其浸渗于增强纤维束中的工序(浸渗工序)后，接着连续地进行将其缠绕在旋转的内衬等芯轴上的工序(FW工序)。
另外，也可以预先制作使基体树脂组合物浸渗到增强纤维束中而成的丝束预浸料，将其用于FW工序中，而不是在即将进行FW工序之前将基体树脂组合物供给到增强纤维束中并使其浸渗于增强纤维束中。这种情况下，也以规定的张力、角度将丝束预浸料缠绕在旋转的内衬等芯轴上。
在FW成型中，使用预先制作的丝束预浸料具有各种优点。例如，若使用丝束预浸料，则无需在压力容器的制造过程中处理未固化的基体树脂组合物，因此能够提高作业环境。并且，由于不具有浸渗工序，因此能够提高FW工序的工序速度。此外，通过使用对基体树脂组合物的含量进行了管理的丝束预浸料，可稳定地得到高性能的成型品。作为丝束预浸料所要求的特性，可以举出：使规定量的基体树脂组合物充分浸渗到增强纤维束中；能够从卷绕在卷轴上的状态进行高速解舒。此外还要求不会发生在FW工序中丝束预浸料在折叠状态下直接缠绕在内衬上等不良状况。
另外，丝束预浸料缠绕在内衬等芯轴上之后，在将丝束预浸料中含有的基体树脂组合物加热使其固化的工序中，通过受到加热而发生粘度降低的基体树脂组合物可能在重力或丝束预浸料缠绕在内衬上的缠绕张力的作用下流出到增强纤维束外。其结果，丝束预浸料中的基体树脂组合物不足，在纤维增强复合材料中产生大量空洞、复合材料增强压力容器的外观变差、或者纤维增强复合材料中的基体树脂组合物的量发生变化，可能对所得到的复合材料增强压力容器的性能或品质带来不良影响。因此，在将基体树脂组合物加热使其固化的工序中，还要求基体树脂组合物的粘度不会过分降低。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料压力容器的制造方法，复合材料压力容器包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与复合材料压力容器内外相连通，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、使用金属材料或者非金属材料制造内衬，在金属内衬的外表面敷设粘结层；
步骤S2、纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着至少循环两次制造而成，以连续缠绕方式构成纤维缠绕复合材料层；
步骤S3、在内衬的外表面敷设粘接层，在已铺贴完粘结层的内衬外表面，采用湿法缠绕法制备纤维缠绕复合材料层；
步骤S4、在内衬与纤维缠绕复合材料层之间铺敷由高分子胶膜层形成的变形协调层；
步骤S5、高分子胶膜层上制造由纤维缠绕复合材料层与由高分子胶膜形成的变形协调层交替覆着而形成的复合结构层并对其进行分层固化；
步骤S6、对粘结层与纤维缠绕复合材料层进行共固化。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：所述内衬为球形、柱形或者环形，所述高分子胶膜的材质设置为环氧树脂，且高分子胶膜的厚度为0.1～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述纤维缠绕复合材料层设置为多层。
4.根据权利要求2所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：所述纤维缠绕复合材料层由纤维复合材料在内衬上以连续纵向及环向交替缠绕方式构成。
5.根据权利要求3所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：纤维缠绕复合材料层的连续缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述粘结层呈固态胶膜性状，其厚度在0.15～0.3mm之间，粘结层在敷设前其两面均用防粘隔离纸隔开，并在-18℃以下低温贮存。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：按金属内衬外表面尺寸裁剪粘结层，圆筒段裁剪成长方形，球形封头和椭球封头裁剪成花瓣形；揭掉粘结层一面的防粘隔离纸，将粘结层铺贴于经表面处理的金属内衬外表面，铺贴过程中使用刮板排除裹进的气泡；如果粘结层与金属内衬外表面粘贴不实，用电吹风边加热边贴合；贴实粘结层后，揭掉粘结层另一面的防粘隔离纸。
8.根据权利要求7所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：所述粘结层的固化温度为100℃～130℃。
9.根据权利要求1所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：步骤S6中，对缠绕结束的复合材料压力容器进行固化，固化的步骤为：首先在温度60℃下固化三个小时；然后在温度90℃下固化三个小时，最后在温度140℃下固化四个小时。
10.根据权利要求9所述的一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：所述粘结层固化后的拉伸剪切强度≥25MPa，90°剥离强度≥6.0N/mm，电阻值≥20MΩ，适用使用温度范围为-50℃～60℃。
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