CN113514174B - 用于压力储气容器的应力检测组件、压力储气容器 - Google Patents

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Abstract

本申请属于压力储气装置技术领域，尤其涉及一种用于压力储气容器的应力检测组件，以及一种压力储气容器。本申请提供的应力检测组件包括：碳纳米管薄膜传感元件，其缠绕在压力储气容器的表面，处于所述压力储气容器本体和所述碳纤维层之间，用于检测所述压力储气容器的内部应力，且所述碳纳米管薄膜传感元件包括碳纳米管薄膜；信号处理单元，与所述碳纳米管薄膜传感元件连接，用于检测所述碳纳米管薄膜传感元件的电阻变化；连接件，用于连接所述碳纳米管薄膜传感元件和所述信号处理单元。本申请提供的用于压力储气容器的应力检测组件，可以在不降低压力储气瓶的疲劳强度的情况下，对压力储气容器实施原位的应力状况的实时健康检测。

Description

用于压力储气容器的应力检测组件、压力储气容器
技术领域
本申请属于压力储气装置技术领域，尤其涉及一种用于压力储气容器的应力检测组件，以及一种压力储气容器。
背景技术
储氢组件是燃料电池组件的核心部件之一，其包含高压储氢瓶，安全阀，以及管路等。其中，高压储氢瓶主要负责储存高压气态氢气，其工作状态以及健康情况决定了整个燃料电池车的安全性以及使用寿命。塑料内胆、碳纤维全缠绕的四型高压储氢瓶，由于重量轻，储气密度高，成型相较金属制内胆较容易等优势，被市场广泛期待。目前，四型高压储氢瓶主要应用在对重量较为敏感的燃料电池乘用车上。
由于四型高压储氢瓶的树脂内胆不提供强度支持，因此，碳纤维耐压层的健全性直接决定了储氢瓶的性能以及安全性。特别是在金属封头段，该部位既是碳纤维铺层中立体结构最复杂的部位，而且金属封头和树脂内胆在此相结合，形成巨大的弹性模量差距，此外，该部位还是碳纤维铺层工艺造成的树脂堆积部位。这些原因使得金属封头段成为极易发生局部应力集中的部位。具体的，当金属封头段承受外部的冲击时，非常容易发生树脂崩裂，碳纤维铺层内的层间剥离，或者纤维破断等内部缺陷，进而影响整个储氢瓶的疲劳强度，甚至有储氢瓶破裂的风险。
因此对于金属封头段的应力状况的实时健康监测以及对外部冲击的监测对于四型储氢瓶是十分重要的。但对于高压储氢瓶而言，其碳纤维铺层内的应力随厚度梯度分布：容器内侧的应力最大，随着厚度的减薄，应力逐渐减小。同时，由于碳纤维铺层的空间立体结构，铺层内应力分布并不是均匀的。如果仅仅通过在高压储氢瓶的表面贴附传感器的方式，无法得知容器内部的应力状况，从而不能对高压储氢瓶的实时健康监测。
目前可行的实施健康监测方式，是将传感器嵌入高压储氢瓶的内层，如碳纤维铺层内，或者碳纤维铺层与树脂内胆之间。但这种方式需要考虑传感器的厚度，是否可以贴合容器的表面以及信号的引出方式，即导线的直径，是否会对容器强度产生影响等。目前有将光纤传感器预埋至复合材料内的原位检测技术，主要是应用的光纤传感器包括强度调制型，偏振调制型以及频率调制型光纤传感器。上述几种光纤传感器都具有传感元件结构简单且体积小(直径可以达到50微米)，灵敏度高的特点。但是，这些传感器嵌入碳纤维铺层内部(应变片贴在高压储氢瓶的表面，则无法探知内胆以及碳纤维铺层内层的应力分布状况)时，由于应变片或导线厚度大，导致应力集中，影响整个容器的疲劳强度，增加材料失效氢气泄漏，甚至容器破坏的风险。目前尚无搭载光纤传感器至高压储氢瓶内进行实时健康监测的相关技术。
发明内容
本发明要解决的问题
本申请的目的在于提供一种用于压力储气容器的应力检测组件、压力储气容器，旨在解决现有的用于四型高压储氢瓶的传感器厚度较厚，导致应力集中，从而影响整个容器的疲劳强度，增加材料失效氢气泄漏，甚至容器破坏的风险的问题。
解决问题的方法
为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案如下：
本申请第一方面提供一种用于压力储气容器的应力检测组件，所述压力储气容器包括压力储气容器本体，以及设置在所述压力储气容器本体表面的碳纤维层，所述应力检测组件包括：
碳纳米管薄膜传感元件，其缠绕在压力储气容器的表面，处于所述压力储气容器本体和所述碳纤维层之间，用于检测所述压力储气容器的内部应力，且所述碳纳米管薄膜传感元件包括碳纳米管薄膜；
信号处理单元，与所述碳纳米管薄膜传感元件连接，用于检测所述碳纳米管薄膜传感元件的电阻变化；
连接件，用于连接所述碳纳米管薄膜传感元件和所述信号处理单元。
优选的，所述碳纳米管薄膜的厚度为5～20微米。
优选的，所述碳纳米管薄膜传感元件的制作方法包括：
制作与目标对象的所述压力储气容器相同形状和尺寸的压力储气容器模型；
在制作好的所述压力储气容器模型的待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域，形成环状碳纳米管预制薄膜；
将所述环状碳纳米管预制薄膜进行裁剪，形成缺口部；
在所述缺口部的两个末端表面设置导电层，形成两组导电侧边，所述连接件的一端固定在至少一组所述导电侧边的表面，在所述缺口部设置绝缘部；
对裁剪后的所述环状碳纳米管预制薄膜涂覆树脂胶并对此进行固化并形成盖层，从而完成所述碳纳米管薄膜传感元件的制作；
将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设到所述压力储气容器的相应的该区域。
优选的，所述应力检测组件还包括：完全覆盖所述碳纳米管薄膜传感元件的绝缘层，所述绝缘层用于避免所述碳纳米管薄膜传感元件与所述碳纤维层之间形成电性接触。
优选的，所述绝缘层的制作方法为：将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设安装到所述压力储气容器后，在所述碳纳米管薄膜传感元件的表面涂布或喷涂绝缘材料，形成绝缘层。
优选的，所述绝缘层包括树脂基体材料和填充物，其中，所述树脂基体材料选自环氧改性有机硅树脂、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺树脂中的一种，所述填充物选自氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、或者二氧化硅中的至少一种。
优选的，所述连接件为碳纳米管纤维导线。
优选的，所述连接件包括电性连接的第一导线段和第二导线段，其中，所述第一导线段为与所述碳纳米管纤维薄膜传感元件连接的碳纳米管纤维导线。
优选的，所述碳纳米管纤维导线由2～50根碳纳米管纤维丝制成。
优选的，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管的直径为5～10nm。
本申请第二方面提供一种压力储气容器，包括：压力储气容器本体，设置在所述压力储气容器本体表面的碳纤维层，以及第一方面提供的所述的应力检测组件。
优选的，所述碳纳米管薄膜传感元件设置在所述压力储气容器的封头段。
发明效果
本申请提供的用于压力储气容器的应力检测组件，利用碳纳米管薄膜在外力作用下，可以将材料的应变转变为电阻值的变化的特点，在压力储气容器中设置碳纳米管薄膜传感元件，实现对应变或者应力的测量。通过采用碳纳米管薄膜作为传感器的敏感元件和信号传输元件，利用其优异的力学性能和高导电性，能够有效控制传感器的尺寸，从而降低应力集中的问题，从而降低传感器对整个容器疲劳强度的影响，提高容器安全性能。此外，本申请利用碳纳米管纤维优秀的力学特性，使传感器在安装过程时不会偏离设计位置，并能与各层良好接合，从而有利于实现复合材料的原位检测，并在碳纤维铺层卷绕时避免卷绕带来的张力对传感器的损坏，从而保证了应力检测组件的高灵敏度和高测量精度。
本申请提供的压力储气容器，充分考虑嵌入物对高压容器性能的影响，在树脂内胆和碳纤维之间嵌入基于碳纳米管薄膜的应变传感器，从而在不降低压力储气瓶的疲劳强度的情况下，实施原位的应力状况的实时健康检测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的压力储气容器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的高压储氢瓶的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的裁剪后得到的碳纳米管预制薄膜展开平铺后的示意图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a、b、c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例中，压力储气容器是指能够储存高压气体的储气罐。压力储气容器通常为高压金属罐，储气压力为0.8～2兆帕甚至更高。应当注意的是，储气罐的材质，可以为金属材质，但不限于金属材质。在一些实施例中，压力储气容器为高压储氢瓶。
目前尚无用于车载复合材料高压储氢瓶的实时健康监测系统，主要有以下几方面的原因：第一，将传感器嵌入碳纤维铺层内部的方式，传统的合金电阻式应变片厚度大，且不易弯折，不能较好的贴合高压储氢瓶的曲面。这会造成局部的应力集中，影响整个容器的疲劳强度，增加材料失效氢气泄漏，甚至容器破坏的风险。第二，同样，对于连接外部电源以及传感器元件的导线，在其周围会形成树脂富集的区域。当导线的直径足够大，就会显著的降低导线周围区域的强度。且由于应力集中，使得导线周围相比其他区域先发生因树脂材料失效而产生的缺陷，进而影响储氢瓶的性能以及安全性。第三，如果仅将应变片贴在高压储氢瓶的表面，则无法探知内胆以及碳纤维铺层内层的应力分布状况，从而无法掌握储氢瓶的健康状况。第四，目前对于复合材料的原位检测技术中采用的光纤传感器的基本结构是由光源、传输光纤、传感器以及光检测部分组成。其中，传感器部分负责根据被测量将来自光源的光进行调制，光检测器将被调制光进行光电转换，输出电信号。传感器的灵敏度易受光源波动和连接器损耗以及变换的影响，光源发生器和光电转换器以及信号处理系统相比传统的应变片式检测系统也要复杂。且光纤传感器基本上是线传感器，可以覆盖的面积十分有限。
在宏观体中，碳纳米管纤维是碳纳米管通过范德华力或者由管壁上的悬键通过重新键合的方式聚集成束，具有导电性能优异、比强度高、高温下化学稳定性高且不易变形等特点。而且碳纳米管纤维在外力作用下，碳纳米管薄膜中通过范德华力相互搭接的碳纳米管之间会产生错位，导致电荷通路发生改变，从而改变碳纳米管薄膜的电阻。利用将碳纳米管材料的应变转变为电阻值变化的特点，碳纳米管薄膜可以用于对应变或者应力的测量。碳纳米管薄膜同样具有碳纳米管纤维所具有的优异的力学性能，以及同样的感知被测物应变能力。碳纳米管薄膜制成的传感元件，厚度薄，结构简单，柔软可随意弯折，灵敏度和测量精度较高，频率响应特性好，疲劳寿命长，蠕变小；且可以覆盖更大面积，非常适合感知外界的冲击。而且碳纳米管薄膜传感元件由于纤维方向上优异的力学特性，可以在碳纤维绕带进行缠绕的时候直接一起成型，非常适合用于碳纤维全缠绕储氢瓶的原位检测。有鉴于此，本申请实施例提供了一种用于压力储气容器的应力检测组件。
本申请实施例提供的压力储气容器，包括压力储气容器本体，以及设置在压力储气容器本体表面的碳纤维层。
在一些实施例中，如图1所示，压力储气容器从底部往上依次分为：瓶身部1、封头段2和瓶口阀座3三部分，a、b、c分别表示封头段2和瓶身部1的结合线(赤道)、树脂内胆一端起始线、封头段2和瓶口阀座3的结合线。其中，瓶身部1为容置气体的主要腔体部分，在一些实施例中，瓶身部1为直筒瓶身；封头段2由瓶身部1方向向瓶口阀座3方向，径向尺寸逐渐降低；瓶口阀座3结合在封头段2径向尺寸较小的一端，用于结合封闭部件。封头段2和瓶口阀座3的结合线称为赤道。封头段2的形状没有严格限制，在一些实施例中，封头段2的形状呈半球形、半椭圆形或蝶形。
在一些实施例中，压力储气容器的至少部分封头段2。封头段2设置树脂内胆的区域至少包括靠近瓶身部1的径向变化的圆筒区域。在一些实施例中，压力储气容器的封头段2由树脂材料材料制成，构成树脂内胆。在一些实施例中，压力储气容器的至少部分封头段2以及全部直筒瓶身部1的材质为树脂材料。
本申请实施例提供的应力检测组件包括碳纳米管薄膜传感元件，碳纳米管薄膜传感元件设置在压力储气容器本体和碳纤维层之间，用于检测压力储气容器的内部实时应力。
具体的，碳纳米管薄膜传感元件包括碳纳米管薄膜。本申请实施例利用碳纳米管薄膜在外力作用下，可以将材料的应变转变为电阻值的变化的特点，在压力储气容器中设置以碳纳米管薄膜作为敏感元件和信号传输元件的传感器，可以实现对应变或者应力的测量。不仅如此，碳纳米管优异的力学性能和高导电性，使得碳纳米管薄膜传感元件的尺寸能够得到有效控制，从而降低应力集中的问题，从而降低传感元件对整个容器疲劳强度的影响，提高容器安全性能。此外，由于碳纳米管纤维具有优秀的力学特性，传感元件在安装过程时不会偏离设计位置，并能与各层良好接合，从而有利于实现复合材料的原位检测，并在碳纤维铺层卷绕时避免卷绕带来的张力对传感元件的损坏，从而保证了应力检测组件的高灵敏度和高测量精度。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜的厚度为5～20微米。在这种情况下，碳纳米管薄膜中碳纳米管的含量合适，能够在裂纹扩展过程中耗散形变能量，有利于提高压力储气容器的机械性能。但碳纳米管的厚度过大，导致应力集中，从而影响整个容器的疲劳强度，增加材料失效的风险，从而容易发生气体泄漏甚至容器破坏的危险。此外，过厚的碳纳米管薄膜，会影响胶黏剂对碳纳米管薄膜的固定效果，进而降低压力储气容器本体-碳纳米管薄膜-碳纤维增强层的复合结构的力学强度。
本申请实施例中，碳纳米管薄膜中碳纳米管的长度方向为碳纳米管薄膜中的轴向，整个碳纳米管传感元件的长度，根据用途不同可为0.2至200mm不等。在一些实施例中，碳纳米管薄膜中的碳纳米管的直径为5～10nm。碳纳米管的直径在该范围内，可以保证形成的碳纳米管薄膜形状规整、取向良好，从而保证碳纳米管薄膜电阻的稳定性。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜包括两组侧边，具体的，侧边是指在碳纳米管薄膜的两端，垂直于碳纳米管薄膜曲面切线的端头面。侧边表面设置导电层，且连接件的一端固定在至少一组侧边的导电层表面。
在一些实施例中，导电层中包含一种或者多种导电纳米颗粒，示例性的，导电纳米颗粒可以为纳米银颗粒、纳米铜颗粒或者纳米金颗粒等。在一些实施例中，上述金属纳米颗粒的直径为为8～12nm。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜传感元件还包括设置在两组侧边之间以连接两组侧边的绝缘部。绝缘部用于固定两组侧边，从而在将碳纳米管薄膜固定在压力储气容器本体表面之后，进行碳纤维缠绕时，两侧边以及设置在两侧边的连接件不会发生位移，从而提高压力储气容器的碳纳米管传感元件的稳定性。
在一些实施例中，绝缘部的厚度为50～200μm，若绝缘部的厚度过大，会使得到的碳纳米管薄膜的厚度增加，在压力储气容器本体和碳纤维层之间形成空隙，降低压力储气容器的疲劳特性。在一些实施例中，绝缘部的材质可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚酰亚胺(PI)。在一些实施例中，采用环氧树脂粘接剂将绝缘部粘合在断口面表面。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜传感元件还包括盖层。其中，盖层用于固定碳纳米管薄膜，并将连接件的一端固定于碳纳米管薄膜。具体的，盖层覆盖碳纳米管薄膜背离绝缘部一侧的表面，且盖层的材料填充至碳纳米管薄膜的内部。在一些实施例中，盖层为环氧树脂层。
上述绝缘部和盖层可以保持碳纳米管薄膜的几何形状以及相对位置，并将被测物上的应变以及外界的冲击迅速，准确地传递到碳纳米管薄膜上。
本申请实施例中，应力检测组件包括：完全覆盖碳纳米管薄膜传感元件的绝缘层，绝缘层用于避免所述碳纳米管薄膜传感元件与所述碳纤维层之间形成电性接触。由于储气瓶的碳纤维缠绕层中的碳纤维也属于导电材料，在碳纤维缠绕过程中，容易出现碳纤维和碳纳米管薄膜传感元件中碳纳米管搭接的情况。这种情况会影响碳纳米管薄膜传感元件的电阻特性，进而影响碳纳米管薄膜传感元件的性能。在一些实施例中，绝缘层包括树脂基体材料和填充物，其中，树脂基体材料选自环氧改性有机硅树脂、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺树脂中的一种，填充物选自氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、或者二氧化硅中的至少一种。在一些实施例中，填充物的重量百分含量在10～40％之间。由上述基体以及填充物组成的绝缘涂料涂布或者喷涂在碳纳米管薄膜传感元件上，从而实现绝缘的效果。
在一些实施例中，绝缘层的制作方法为：将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设安装到压力储气容器后，在碳纳米管薄膜传感元件的表面涂布或喷涂绝缘材料，形成绝缘层。将上述绝缘涂料涂布或者喷涂在碳纳米管薄膜传感元件上，实现绝缘的效果。考虑到碳纳米管薄膜传感元件的整体厚度，涂层的厚度需要在20～50μm之间。
在一些实施例中，碳纳米管传感元件的总厚度为0.01～0.2mm。在这种情况下，通过碳纳米管薄膜制成的应变片，其横向效应小，蠕变小，灵敏度较高，且疲劳寿命长，生产效率高。
本申请实施例提供的应力检测组件包括信号处理单元，信号处理单元与碳纳米管薄膜传感元件连接，用于检测碳纳米管薄膜传感元件的电阻变化，感知储气瓶的不同状态，如：无压力状态；低压力状态，即亏气状态；过压力状态，即内部气体超过许容充填容量；各种工作状态，如充满，急速充填或者急速供气；承受外界的冲击，如车辆行驶途中地面溅起的石子等；储氢瓶健全性监控，如封头处是否有突发的气体泄漏等。
本申请实施例提供的应力检测组件包括连接件，用于连接碳纳米管薄膜传感元件和信号处理单元。
在一些实施例中，连接件为导线。由于普通金属制导线直径较粗，会严重影响容器的疲劳强度，并有可能造成泄漏。因此，在一些实施例中，连接件为碳纳米管纤维导线。在这种情况下，采用碳纳米管纤维束导线来连接碳纳米管传感元件和信号处理单元，碳纳米管纤维的优异力学性能以及高导电性降低了导线的直径，进而降低导线对压力储气容器的疲劳强度的影响。
在一些实施例中，连接件包括电性连接的第一导线段和第二导线段，其中，第一导线段为与碳纳米管薄膜传感元件连接的碳纳米管纤维导线。第二导线段的材质没有限制，可以采用普通导线。
在一些实施例中，碳纳米管纤维导线由2～50根碳纳米管纤维丝制成。由此得到的含有碳纳米管传感元件的压力储气容器，用于车载系统时，可以同时满足根据车载直流供电电压和电流(一般电压约为12v，电流约为0.5～2.4A)，以及碳纳米管薄膜传感元件对于驱动电压以及电流的要求，也降低了导线对整个容器的疲劳强度的影响。具体的，碳纳米管纤维导线为采用2～50根碳纳米管纤维丝并丝得到的碳纳米管纤维束，直径约为100μm。
第二方面，本申请实施例提供一种压力储气容器，包括：容器本体，至少贴合于容器本体部分内壁面的压力储气容器本体，设置在压力储气容器本体背离容器本体一侧表面的碳纤维层，以及第一方面提供的的应力检测组件。
本申请实施例提供的压力储气容器，充分考虑嵌入物对高压容器性能的影响，在压力储气容器本体和碳纤维之间嵌入基于碳纳米管薄膜的应变传感元件，从而在不降低压力储气瓶的疲劳强度的情况下，实施原位的应力状况的实时健康检测。
具体的，压力储气容器本体是指用于容置高压气体的基本壳体，基于塑料内胆纤维全缠绕的压力储气容器，其壳体所采用的材料为树脂。参见图1，在一些实施例中，压力储气容器的至少部分封头段2的材质为树脂材料。在一些实施例中，压力储气容器的至少部分封头段2以及全部直筒瓶身部1的材质为树脂材料。封头段2设置树脂内胆的区域至少包括靠近瓶身部1的径向变化的圆筒区域。在一些实施例中，压力储气容器的全部封头段2以及全部瓶身部1的材质为树脂材料。
压力储气容器还包括设置在压力储气容器本体表面的碳纤维层，碳纤维层作为耐压层，为整个压力储气容器提供强度。碳纤维层的厚度对应压力储气容器内部的气体压力，安全系数为2.25。在一些实施例中，当压力储气容器为四型高压储氢瓶时，碳纤维层厚度可以为25mm。
在一些实施例中，压力储气容器还包括如上的应力检测组件。在一些实施例中，部分树脂内胆背离容器本体一侧表面贴合设置有碳纳米管传感元件，该碳纳米管传感元件的情况如上，此处不再赘述。在一些实施例中，碳纳米管传感元件设置在压力储气容器的封头段，从而有利于获得容器最复杂的立体结构处的应变情况。
在一些实施例中，如图2所示，压力储气容器为高压储氢瓶，高压储氢瓶从底部往上依次分为直筒瓶身部11、封头段21和瓶口阀座31三部分，a’、b’、c’分别表示封头段2’和直筒瓶身部1’的结合线(赤道)、树脂内胆一端起始线、封头段2’和瓶口阀座3’的结合线，碳纳米管传感元件设置在容器本体封头段的表面。在这种情况下，碳纳米管传感元件可以有效感知储氢瓶最易发生氢气泄漏的部位的应力变化，并降低应力集中导致容器产生疲劳，发生氢气泄漏的风险，提高储氢瓶的安全性。
在一些实施例中，气压储气瓶中，碳纳米管薄膜传感元件可以通过下述步骤制备安装：
S01.制作与目标对象的所述压力储气容器相同形状和尺寸的压力储气容器模型；
S02.在制作好的所述压力储气容器模型的待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域，形成环状碳纳米管预制薄膜；
S03.将所述环状碳纳米管预制薄膜进行裁剪，形成缺口部；
S04.在所述缺口部的两个末端表面设置导电层，形成两组导电侧边，所述连接件的一端固定在至少一组所述导电侧边的表面，在所述缺口部设置绝缘部；
S05.对裁剪后的所述环状碳纳米管预制薄膜涂覆树脂胶并对此进行固化并形成盖层，从而完成所述碳纳米管薄膜传感元件的制作；
S06.将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设到所述压力储气容器的相应的该区域。
该方法可以有效控制碳纳米管薄膜的厚度，提高碳纳米管薄膜传感元件的柔软度，进而提高碳纳米管薄膜传感元件在压力储气容器本体和碳纤维之间的贴合度，特别的，可以克服碳纳米管薄膜传感元件在曲面表面不能有效贴合的问题。此外，碳纳米管纤维具有优异的机械性能，如高模量、高抗拉极限等，可以增加碳纳米管薄膜传感元件的形状稳定性，进而在缠绕碳纤维时有利于碳纤维在压力储气容器本体表面的缠绕，并避免因为绕带的张力对碳纳米管薄膜传感元件造成损伤。
具体的，上述步骤S01中，压力储气容器模型为与目标压力储气容器形状和尺寸对应的完整模型，本申请实施例先在压力储气容器模型局部表面制备碳纳米管薄膜加热元件。
在一些实施例中，用纸浆制作与目标压力储气容器具有相同形状和尺寸的压力储气容器模型。其中，纸浆可采用作为离型纸的格拉辛纸，牛皮底纸或者双胶纸等纸浆。在一些实施例中，在制好的封头段的立体模型表面采用格拉辛纸，牛皮底纸或者双胶纸进行包覆，方便后续在其表面缠绕碳纳米管纤维。
上述步骤S02中，本申请实施例借助压力储气容器模型，制作与压力储气容器模型对应区域形状吻合的环状碳纳米管预制薄膜。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜传感元件设置在压力储气容器的封头段，即在封头段的立体模型表面制备碳纳米管薄膜传感元件。在这种情况下，对应的，在压力储气容器模型的封头段表面制备碳纳米管薄膜传感元件。该实施例充分考虑到压力储气容器在工作状态下的内部应力分布，在受力较小的部位-封头段的压力储气容器本体和碳纤维中嵌入碳纳米管薄膜传感元件，使其较好地固定在压力储气容器本体表面，且贴合碳纤维铺层，从而保证碳纳米管薄膜传感元件不影响整个压力储气容器的强度。
示例性的，碳纳米管薄膜传感元件的设置位置满足：其在容器长度方向的投影面积完全覆盖储氢瓶中瓶口阀座和压力储气容器本体相结合的部分的投影面积，如果压力储气容器本体有延伸至储氢瓶瓶阀座的瓶口内表面，则碳纳米管薄膜传感元件需要尽可能贴近瓶口与封头段的结合线，即图1中的c。
该步骤中，先在制作好的压力储气容器模型的待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域，形成环状碳纳米管预制薄膜。
在一些实施例中，在压力储气容器模型待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域表面制备环状碳纳米管预制薄膜的方法为：在压力储气容器模型待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域表面卷绕碳纳米管阵列薄膜，得到环状碳纳米管预制薄膜。该实施例通过卷绕碳纳米管阵列薄膜制得环状碳纳米管预制薄膜，有利于提高膜层的柔软度，进而提高碳纳米管薄膜传感元件在压力储气容器本体表面、以及压力储气容器本体与碳纤维之间的贴合度，从而解决合金或者碳丝加热丝不能有效贴合在压力储气容器本体和碳纤维之间的问题。特别是当待贴合面或待贴合的数值内胆表面为曲面时，碳纳米管薄膜传感元件在压力储气容器本体表面、以及压力储气容器本体与碳纤维之间的贴合性能的提高更加明显。
在一些实施例中，在压力储气容器模型待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域表面卷绕碳纳米管阵列薄膜，包括：从碳纳米管阵列中拉出碳纳米管薄膜，并沿着压力储气容器模型待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域表面卷绕，制作出贴服于模型的环状碳纳米管预制薄膜。
碳纳米管阵列薄膜的卷绕层数不仅会影响碳纳米管薄膜的厚度，也会影响碳纳米管薄膜的面密度，进而影响薄膜的拉伸强度。在一些实施例中，在压力储气容器模型待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域表面卷绕碳纳米管阵列薄膜的步骤中，碳纳米管阵列薄膜的卷绕层数为50～200层。在这种情况下，在下述步骤采用胶黏剂将碳纳米管薄膜传感元件固定在压力储气容器本体表面时，胶黏剂具有较好的浸润效果，得到的压力储气容器本体-碳纳米管薄膜-碳纤维增强层的复合结构力学性能会随着碳纳米管含量的增加而增加。但是，当碳纳米管阵列薄膜的卷绕层数超过200层以后，由于碳纳米管薄膜内部无法被胶黏剂充分浸润，反而造成力学性能下降。而若碳纳米管阵列薄膜的卷绕层数过低，如低于50层，在得到碳纳米管薄膜传感元件表面进行碳纤维缠绕时，碳纤维绕带可能对碳纳米管薄膜传感元件造成破坏。示例性的，碳纳米管阵列薄膜的卷绕层数为50层、60层、70层、80层、90层、100层、110层、120层、130层、140层、150层、160层、170层、180层、190层、200层。
碳纳米管阵列薄膜的卷绕宽度与碳纳米管薄膜传感元件的设置宽度对应，在一些实施例中，压力储气容器为高压储氢瓶，碳纳米管阵列薄膜的卷绕宽度为10～150mm。示例性的，碳纳米管阵列薄膜的卷绕宽度可以为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm。
上述步骤S03中，进行裁剪之前，先将环绕在模型表面的环状碳纳米管预制薄膜从模型表面取下来。在一些实施例中，可以采用刀片等工具在垂直于卷绕方向将环状碳纳米管预制薄膜切断，从模型表面取下来。
在一些实施例中，将环状碳纳米管预制薄膜从模型表面取下来之后，将碳纳米管预制薄膜进行预处理和致密化处理。
其中，预处理可以是将碳纳米管预制薄膜进行有利于在压力储气容器本体表面贴服的处理。在一些实施例中，当下述步骤S02中用于固定碳纳米管薄膜传感元件的胶黏剂包括环氧树脂(即：碳纳米管薄膜传感元件与压力储气容器的压力储气容器本体之间借助环氧树脂胶黏剂进行粘结固定)时，对应的预处理包括环氧化处理。在这种情况下，通过环氧化处理可以增加碳纳米管薄膜与环氧树脂的亲和性，提升内胆树脂材料与碳纳米管薄膜传感元件的界面力学性能以及导热能力，提高碳纳米管纤维对压力储气容器的加热效率。
在一些实施例中，将碳纳米管预制薄膜进行环氧化处理的方法为：将碳纳米管预制薄膜置于环氧化试剂或环氧化气态环境中，进行环氧化处理。在一些实施例中，环氧化试剂包括间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)或三氯二甲基二环氧乙烷，环氧化气态环境可以为臭氧环境。采用上述试剂进行环氧化处理，对碳纳米管结构破坏较小，且碳纳米管氧含量高，有利于提高碳纳米管纤维与环氧树脂的界面性能。将碳纳米管阵列薄膜进行环氧化处理之后，还包括行干燥处理。
示例性的，一种将碳纳米管预制薄膜进行环氧化处理的方法，包括：将碳纳米管阵列薄膜在质量浓度为1-3％的间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)的CH2Cl2溶液中溶解30-45分钟，也可以采用臭氧，三氯二甲基二环氧乙烷进行环氧化处理；然后用二氯甲烷和乙醇除去残留的m-CPBA；随后，将碳纳米管阵列薄膜在50℃干燥2小时以去除溶剂。其中，质量浓度为1-3％的间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)的CH2Cl2溶液可以采用臭氧或三氯二甲基二环氧乙烷代替。
将碳纳米管预制薄膜进行致密化处理，提高得到的碳纳米管薄膜传感元件的致密性和厚度均匀性。在一些实施例中，将经过预处理后的碳纳米管阵列薄膜再度放置在模型上，使用辊筒对薄膜表面进行辊压，进行致密化处理。
本申请实施例中，将环状碳纳米管预制薄膜进行裁剪，用于提供设置连接件如导线的空间。将环状碳纳米管预制薄膜进行裁剪，可以在将环状碳纳米管预制薄膜从模型上取下来的过程中，同步实现；也可以在环状碳纳米管预制薄膜从模型上取下来，并经过致密化处理后再进行裁剪。优选的，在环状碳纳米管预制薄膜从模型上取下来，并经过预处理和致密化处理后，再进行裁剪，从而避免在裁剪后进行预处理时，预处理和致密化处理对裁剪形状造成的影响。
通过裁剪剪除在环状碳纳米管预制薄膜之间形成缺口部，以便设置电性连接碳纳米管薄膜传感元件的连接件。在一些实施例中，沿着环状碳纳米管预制薄膜的两条直径方向剪除部分碳纳米管膜形成缺口部，在裁剪处对应形成两个断口面，即两组侧边。裁剪后得到的碳纳米管预制薄膜展开平铺后的示意图如图3所示，其中，A为裁剪后的环状碳纳米管预制薄膜，B、C分别为两组侧边，D为两个断口面之间形成的缺口部。
在一些实施例中，两组侧边之间的距离在1～4mm之间，根据不同的压力储气容器封头段的尺寸进行调整。
上述步骤S04中，在缺口部的两个末端表面设置导电层，形成两组导电侧边。
在一些实施例中，在所述缺口部的两个末端表面设置导电层，形成两组导电侧边，包括：在裁剪形成的两个断口面涂布导电浆料，干燥后形成两组导电侧边。其中，导电浆料用于将导线固定在侧边表面行测导电侧边，并与碳纳米管预制薄膜之间形成电性连接。
在一些实施例中，导电浆料内可以包含一种或者多种导电纳米颗粒，示例性的，导电纳米颗粒可以为纳米银颗粒、纳米铜颗粒或者纳米金颗粒等。在一些实施例中，上述金属纳米颗粒的直径为为8～12纳米。
在一些实施例中，在裁剪形成的侧边表面涂布导电浆料时，导电浆料的涂布宽度为1～5mm，具体可根据实际可操作性进行调整。在侧边涂布导电浆料之后，将连接件如导线贴合在整个侧边上，并压紧处理。在一些实施例中，用滚压方式压紧，之后进行室温固化，使得连接件紧密连接在侧边上。导电浆料的涂布量不能过量，在一些实施例中，导电浆料的涂层厚度在40～50μm，过厚的浆料会使得连接件如导线和碳纳米管薄膜传感元件的结合强度下降。
本申请实施例中，连接件的一端固定在至少一组导电侧边的表面。在一些实施例中，在两组导电侧边设置导线连接件，连接件用于连接压力储气容器的碳纳米管传感元件和信号处理单元。
当连接件为导线时，导线可以采用普通导线。在一些实施例中，连接件为碳纳米管纤维导线。在这种情况下，采用碳纳米管纤维束导线来连接碳纳米管薄膜传感元件和信号处理单元，碳纳米管纤维的优异力学性能以及高导电性降低了导线的直径，进而降低导线对压力储气容器的疲劳强度的影响。
在一些实施例中，碳纳米管纤维导线为2～50根碳纳米管纤维丝并丝得到的直径为100μm的碳纳米管纤维束，由此得到的含有碳纳米管传感元件的压力储气容器，用于车载系统时，可以同时满足根据车载直流供电电压和电流(一般电压约为12v，电流约为0.5～2.4A)，以及碳纳米管薄膜对于驱动电压以及电流的要求，也降低了导线对整个容器的疲劳强度的影响。
在一些实施例中，制得的碳纳米管薄膜的厚度为5～20微米。
在一些实施例中，如图3所示，在裁剪形成的缺口部设置绝缘部D，将两组侧边B、C进行固定，同时固定两断口面两组侧边B、C之间的距离，从而在将碳纳米管薄膜传感元件固定在压力储气容器本体表面之后，进行碳纤维缠绕时，两组侧边以及两组侧边表面结合的连接件如导线不会发生位移，从而提高压力储气容器碳纳米管薄膜传感元件的稳定性。
在一些实施例中，绝缘部的厚度为50～200μm。在一些实施例中，绝缘部的材质可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚酰亚胺(PI)。在一些实施例中，采用环氧树脂粘接剂将绝缘部树脂粘合在断口面表面。
上述步骤S05中，对裁剪后的所述环状碳纳米管预制薄膜涂覆树脂胶，并对此进行固化并形成盖层，从而完成所述碳纳米管薄膜传感元件的制作。在一些实施例中，树脂胶可以采用加热固化型双组份灌封胶，如环氧树脂灌封胶，聚胺脂灌封胶等。
上述步骤S06中，在压力储气容器的压力储气容器本体待装贴碳纳米管薄膜传感元件的区域涂布胶黏剂之前，先进行清洁处理。待装贴碳纳米管薄膜传感元件的区域如上文，如高压储氢瓶的封头段，此处不再赘述。
在压力储气容器本体待装贴碳纳米管薄膜传感元件的区域涂布胶黏剂，借助胶黏剂固定碳纳米管薄膜传感元件。其中，胶黏剂主要发挥绝缘，导热，密封的作用。在一些实施例中，胶黏剂可以采用加热固化型双组份灌封胶，如环氧树脂灌封胶，聚胺脂灌封胶等。胶黏剂的厚度考虑碳纳米管薄膜传感元件整体厚度以及对储氢瓶疲劳强度的影响，以及可操作性，在一些实施例中，胶黏剂的厚度小于或等于200μm。
将碳纳米管薄膜传感元件铺设于压力储气容器本体表面，碳纳米管薄膜传感元件通过胶黏剂贴服于压力储气容器本体表面，在一些实施例中，采用刀片涂布法来刮贴碳纳米管薄膜传感元件，使其尽量完整地贴合在容器内壁面。
在一些实施例中，最终碳纳米管传感元件的厚度为100～500μm。
进一步的，经过固化处理，使碳纳米管薄膜传感元件固定在压力储气容器本体表面，以便在后续的碳纤维铺层操作时不受影响。
在一些实施例中，在碳纳米管薄膜传感元件的表面涂布含有固化剂的环氧树脂，使碳纳米管薄膜传感元件内部充分浸润环氧树脂，并紧贴在容器表面，环氧树脂形成的材料层作为碳纳米管传感元件的盖层。当碳纳米管薄膜传感元件的侧边安装有导线时，该步骤的环氧树脂还用于将导线固定。
在一些实施例中，碳纳米管薄膜传感元件固定后，安装连接件。在一些实施例中，将导线用环氧树脂粘结剂粘附并固定在碳纳米管薄膜传感元件的导电侧边上，使其不影响后续的碳纤维铺层。
在一些实施例中，在碳纳米管薄膜的表面进一步涂布或喷涂绝缘层，在一些实施例中，绝缘层使用环氧改性有机硅树脂、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺树脂中的一种为树脂基体材料，采用氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、或者二氧化硅中的一种或几种为填充物，其中重量百分含量在10～40％之间。将由上述基体以及填充物组成的绝缘涂料涂布或者喷涂在碳纳米管薄膜上，从而实现绝缘的效果。考虑到碳纳米管薄膜传感元件的整体厚度，涂层的厚度需要在20～50μm之间。在碳纳米管薄膜传感元件上进一步设置绝缘涂层，可以防止碳纳米管薄膜传感元件与碳纤维短接使电阻大幅降低的问题，保证测试过程中，碳纳米管薄膜传感元件电阻的精确性和稳定性，从而能够精确反应出压力储气容器所受应力情况。
在一些实施例中，碳纤维铺层的设置，可以在碳纳米管薄膜传感元件进行固化之前，在碳纳米管薄膜传感元件的表面缠绕碳纤维，形成碳纤维铺层，最后进行固化，得到具有碳纳米管薄膜传感元件的树脂内胆储氢瓶。在一些实施例中，在设置碳纤维铺层时之前，先对碳纳米管薄膜传感元件进行测试，示例性的，方法如下：连接导线至直流电源，规格为12v电压，1A电流。通电，进行测试，确认碳纳米管薄膜传感元件是否可以在5秒以内升温至40～60℃。如果可以正常工作，则可以进行接下来的碳纤维铺层。碳纤维铺层以及固化结束后，再次连接直流电源进行测试，确保碳纳米管薄膜可以正常工作。
下面以直径为322mm、轴向长度为700mm，具有球形封头段形状且正常工作压力位40MPa的四型高压储氢容器为目标储气瓶为例，结合具体实施例进行说明。其中，模型为：使用格拉辛纸制作和目标储气瓶的封头段具有相同尺寸和封头段形状的纸浆模型。
实施例1
碳纳米管薄膜的制备方法，包括：
(1)从碳纳米管阵列中拉出40mm宽的碳纳米管阵列薄膜，沿着纸浆模型卷绕50层；
(2)沿着垂直于纤维卷绕的方向切断环状碳纳米管纤维预制薄膜，并从模具上取下。将碳纳米管预制薄膜在间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)质量浓度为1-3％的CH2Cl2溶液中溶解30分钟，进行环氧化处理，然后用二氯甲烷和乙醇除去残留的m-CPBA。随后，将碳纳米管预制薄膜在50℃干燥2小时以去除溶剂；
(3)将经过环氧化处理的碳纳米管预制薄膜放置在目标储氢瓶封头段的纸浆模型上，使用辊筒对碳纳米管预制薄膜通过滚压进行致密化处理，最终制备厚度5微米的碳纳米管薄膜。
实施例2
碳纳米管薄膜的制备方法，包括：
(1)从碳纳米管阵列中拉出40mm宽的碳纳米管阵列薄膜，沿着纸浆模型卷绕碳100层；
(2)沿着垂直于纤维卷绕的方向切断碳环状碳纳米管纤维预制薄膜，并从模具上取下。将碳纳米管预制薄膜在间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)质量浓度为1-3％的CH2Cl2溶液中溶解30分钟，进行环氧化处理，然后用二氯甲烷和乙醇除去残留的m-CPBA。随后，将碳纳米管薄膜在50℃干燥2小时以去除溶剂；
(3)将经过环氧化处理的碳纳米管预制薄膜放置在目标储氢瓶封头段的纸浆模型上，使用辊筒对碳纳米管预制薄膜通过滚压进行致密化处理，最终制备厚度10微米的碳纳米管薄膜。
实施例3
碳纳米管薄膜的制备方法，包括：
(1)从碳纳米管阵列中拉出40mm宽的碳纳米管阵列薄膜，沿着纸浆模型卷绕碳100层；
(2)沿着垂直于纤维卷绕的方向切断碳环状碳纳米管纤维预制薄膜，并从模具上取下。将碳纳米管预制薄膜在间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)质量浓度为1-3％的CH2Cl2溶液中溶解30分钟，进行环氧化处理，然后用二氯甲烷和乙醇除去残留的m-CPBA。随后，将碳纳米管薄膜在50℃干燥2小时以去除溶剂；
(3)将经过环氧化处理的碳纳米管预制薄膜放置在目标储氢瓶封头段的纸浆模型上，使用辊筒对碳纳米管预制薄膜通过滚压进行致密化处理，最终制备厚度20微米的碳纳米管薄膜。
对上述实施例中得到的碳纳米薄膜进行基础性能测试，测试碳纳米薄膜样条的宽度为5mm，长度为20mm，测试速度：0.5mm/min。其中，拉伸强度测试采用与本申请实施例中碳纳米管薄膜同等层数的碳纳米管薄膜作为测试样品。测试结果如下表1所示。
表1
由表1可见，实施例1-3制得的碳纳米管薄膜具有较好的拉伸强度。
实施例4-6
分别采用上述实施例1-3中制备得到不同厚度的碳纳米管薄膜制备碳纳米管传感元件，安装至高压储氢瓶并成型，步骤如下：
(4)分别将上述3个实施例中得到的碳纳米管薄膜进行剪裁，将碳纳米管薄膜剪裁成图3所示形状，缺口部的宽度为1mm，供后续步骤设置导电侧边。
(5)在剪裁好的碳纳米管薄膜的缺口处且对应碳纳米管薄膜一表面的方向设置聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材质的绝缘部，参见图3中的D处，绝缘部的厚度约为100微米，采用环氧树脂粘接剂将碳纳米管薄膜和绝缘部粘合在一起。
(6)在导电侧边处涂布导电银浆料，浆料的宽度约为2mm。银浆料内包含导电纳米银颗粒，导电涂层厚度约为40～50微米。
(7)再次从碳纳米管阵列中获取75mm宽的碳纳米管薄膜，采用捻度为1300tpm加捻纺制成碳纳米管纤维丝。将10根碳纳米管纤维丝，纺制成100微米左右的碳纳米管纤维束。采用极性溶剂对碳纳米管纤维束进行致密处理。用沾满酒精的棉签对上述步骤中制备得到的碳纳米管纤维擦拭2-3次即可。
(8)将碳纳米管纤维导线贴合在两个断口面即两个导电侧边上，即图3中B处和C处，并用滚压方式压紧。
(9)在成型好的压力储气容器本体表面安装碳纳米管薄膜传感元件：先用去离子水对封头段表面进行清洗，然后用乙醚进行表面擦拭，自然晾干。之后在将要贴附碳纳米管薄膜传感元件的位置表面均匀涂布环氧树脂粘接剂；将准备好的碳纳米管加热膜铺贴在容器封头段的表面，如图2所示；
(10)用含有固化剂的环氧树脂对碳纳米管薄膜传感元件进行涂布，使其内部充分的浸润环氧树脂；采用刀片涂布法来刮贴碳纳米管薄膜传感元件，使其尽量完整的贴合在容器表面，并且保证厚度满足要求。接着，在碳纳米管薄膜传感元件的表面涂布绝缘涂层，采用重量百分含量为40％的氮化硅填充的环氧树脂改性有机硅树脂基体材料，厚度为20～50μm。最终碳纳米管薄膜传感元件的厚度为100～200微米。
(11)将导线用环氧树脂粘接剂粘附在封头表面，并固定在封头处，使其不影响后续的碳纤维铺层。
(12)连接导线至万用表或其他测试元器件电阻的装置，检查传感元件是否可以连通，并且测试未固化时的传感元件的电阻。如果没有出现断路，或者电阻异常增大的情况，则可以进行接下来的步骤；
(13)碳纳米管薄膜固化结束后，再次连接测试装置，检查是否可以正常工作以及固化后的传感元件电阻值。
(14)进行碳纤维铺层。目标储氢瓶为15层碳纤维，碳纤维铺层厚度为12mm；铺层结束后送入热压罐进行固化。固化结束后，再次连接测试装置，检查线路是否连通，进行冲击测试检查传感元件是否可以正常感知外界冲击。
对得到的储氢瓶进行加压，分别测试10MPa，40MPa，60MPa时的电阻，结果如下表2所示。
表2
由表2可见，本申请实施例制备的高压储氢瓶，能够通过碳纳米管薄膜的形变，有效感知瓶体外界冲击的变化，并具有较好的灵敏度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于压力储气容器的应力检测组件，所述压力储气容器包括压力储气容器本体，以及设置在所述压力储气容器本体表面的碳纤维层，其特征在于，所述应力检测组件包括：
碳纳米管薄膜传感元件，其缠绕在压力储气容器的表面，处于所述压力储气容器本体和所述碳纤维层之间，用于检测所述压力储气容器的内部应力，且所述碳纳米管薄膜传感元件包括碳纳米管薄膜；
信号处理单元，与所述碳纳米管薄膜传感元件连接，用于检测所述碳纳米管薄膜传感元件的电阻变化；
连接件，用于连接所述碳纳米管薄膜传感元件和所述信号处理单元；
所述连接件为碳纳米管纤维导线；或
所述连接件包括电性连接的第一导线段和第二导线段，其中，所述第一导线段为与所述碳纳米管薄膜传感元件连接的碳纳米管纤维导线；所述应力检测组件还包括：完全覆盖所述碳纳米管薄膜传感元件的绝缘层，所述绝缘层用于避免所述碳纳米管薄膜传感元件与所述碳纤维层之间形成电性接触。
2.根据权利要求1所述的用于压力储气容器的应力检测组件，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度为5～20微米。
3.根据权利要求1所述的用于压力储气容器的应力检测组件，其特征在于，所述碳纳米管薄膜传感元件的制作方法包括：
制作与目标对象的所述压力储气容器相同形状和尺寸的压力储气容器模型；
在制作好的所述压力储气容器模型的待制备碳纳米管薄膜传感元件的区域，形成环状碳纳米管预制薄膜；
将所述环状碳纳米管预制薄膜进行裁剪，形成缺口部；
在所述缺口部的两个末端表面设置导电层，形成两组导电侧边，所述连接件的一端固定在至少一组所述导电侧边的表面，在所述缺口部设置绝缘部；
对裁剪后的所述环状碳纳米管预制薄膜涂覆树脂胶并对此进行固化并形成盖层，从而完成所述碳纳米管薄膜传感元件的制作；
将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设到所述压力储气容器的相应的该区域。
4.根据权利要求1所述的用于压力储气容器的应力检测组件，其特征在于，所述绝缘层的制作方法为：将所述碳纳米管薄膜传感元件铺设安装到所述压力储气容器后，在所述碳纳米管薄膜传感元件的表面涂布或喷涂绝缘材料，形成绝缘层。
5.根据权利要求1所述的用于压力储气容器的应力检测组件，其特征在于，所述绝缘层包括树脂基体材料和填充物，其中，所述树脂基体材料选自环氧改性有机硅树脂、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺树脂中的一种，所述填充物选自氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、或者二氧化硅中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于压力储气容器的应力检测组件，所述碳纳米管纤维导线由2～50根碳纳米管纤维丝制成。
7.根据权利要求1至3任一项所述的用于压力储气容器的应力检测组件，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管的直径为5～10nm。
8.一种压力储气容器，其特征在于，包括：容器本体，设置在所述容器本体表面的碳纤维层，以及如权利要求1至7任一项所述的应力检测组件。
9.根据权利要求8所述的压力储气容器，其特征在于，所述碳纳米管薄膜传感元件设置在所述压力储气容器的封头段。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1030797A (ja) * 1996-07-16 1998-02-03 Sumitomo Electric Ind Ltd 圧力容器
CN102770574A (zh) * 2010-02-24 2012-11-07 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 用于高压介质的自监测复合容器
CN103808247A (zh) * 2012-11-06 2014-05-21 沈阳航空航天大学 一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法
CN106643464A (zh) * 2016-12-27 2017-05-10 北京航空航天大学 一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法
WO2019123492A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-27 Fincantieri Oil & Gas S.P.A. Method and system for non-destructive monitoring of the structural integrity of containers for storing compressed gas
CN110686816A (zh) * 2019-10-30 2020-01-14 江苏理工学院 一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015145468A1 (en) * 2014-03-28 2015-10-01 Faber Industrie S.P.A. Composite-material pressure vessel and system and method for controlling the vessel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1030797A (ja) * 1996-07-16 1998-02-03 Sumitomo Electric Ind Ltd 圧力容器
CN102770574A (zh) * 2010-02-24 2012-11-07 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 用于高压介质的自监测复合容器
CN103808247A (zh) * 2012-11-06 2014-05-21 沈阳航空航天大学 一种基于碳纳米管三维网络薄膜的应变传感器制备方法
CN106643464A (zh) * 2016-12-27 2017-05-10 北京航空航天大学 一种基于碳纳米管膜的复合材料各向应变监测方法
WO2019123492A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-27 Fincantieri Oil & Gas S.P.A. Method and system for non-destructive monitoring of the structural integrity of containers for storing compressed gas
CN110686816A (zh) * 2019-10-30 2020-01-14 江苏理工学院 一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法

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