CN113639187B - 一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，为一个由紧密的三维机织纤维预制体充填基体材料后固化成型的压力容器，三维机织纤维预制体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制作而成，经纱、纬纱和垂纱均为高性能增强纤维丝束；三维机织纤维预制体由外部的三维机织纤维壳体和内部的连丝结构组成，连丝结构为均匀分布在三维机织纤维壳体相对的两壁之间的多根贯穿双壁的高性能增强纤维丝束，每根贯穿双壁的高性能增强纤维丝束均被三维机织纤维壳体双壁的三维机织物定位并固定。本发明性能优于传统气瓶，在同等压力和容积情况下，用更小的壁厚便能达到储氢要求，从而节省了原料，减轻了重量，提高了质量储氢密度与体积储氢密度。

Description

一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器

技术领域

本发明属于压力容器领域，具体涉及一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器。

背景技术

储氢压力容器，通常称为储氢罐，其经历了四型发展：I型为金属气瓶，II型为金属内胆增强纤维环向缠绕气瓶，III型为金属内胆增强纤维全缠绕气瓶，IV型为非金属内胆增强纤维全缠绕气瓶。由于这四型储氢压力容器的外形全部为圆筒型，因此称为气瓶。GB150.3-2011给出内压圆筒压力容器的计算公式为：其中δ为气瓶的计算厚度，mm；Do为气瓶的外径，mm；Pc为计算压力，MPa；σ为材料的计算应力，MPa。

从上述计算公式可以看出，气瓶的壁厚与压力及外径成正比。目前市面上几乎所有内压力容器的都是圆筒型的，因为圆形的筒壁材料可以更好地抵抗压力，这种圆周自封闭结构很好地限制变形并且受力均匀。这种结构的筒壁，相当于无中间支撑悬空梁结构，周长相当于无中间支撑的跨度，当载荷增加时，必需增加壁厚，或者减小跨度，即圆筒直径。

因此这种结构也严重限制了压力容器的发展，特别是储氢罐的发展。由于氢气的密度低，业内采用质量储氢密度与体积储氢密度这两个参数来评估储氢系统的储氢能力。要提高压力或增加半径以提高气瓶储氢量就需要增加筒壁厚度，而增加筒壁厚度即同时增加了气瓶重量，因此提高质量储氢密度和体积储氢密度都遇到瓶颈。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，实现在同等压力和容积情况下，用更小的壁厚就能达到储氢要求，从而节省原料，减轻重量，提高质量储氢密度与体积储氢密度。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，为一个由紧密的三维机织纤维预制体充填基体材料后固化成型得到的压力容器，所述三维机织纤维预制体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制作而成，所述经纱、所述纬纱和所述垂纱均为高性能增强纤维丝束；所述三维机织纤维预制体由外部的三维机织纤维壳体和内部的连丝结构组成，所述连丝结构为均匀分布在所述三维机织纤维壳体相对的两壁之间的多根贯穿双壁的高性能增强纤维丝束，每根所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束均被所述三维机织纤维壳体双壁的三维机织物定位并固定，以此由所述三维机织纤维壳体的双壁以及被所述三维机织纤维壳体双壁定位并固定的所述连丝结构共同承担所述压力容器的内压力。

进一步的，所述高性能增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维中的一种或多种混合。

进一步的，所述基体材料为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料中的一种或多种混合；所述基体材料应与所述三维机织纤维预制体良好结合，从而形成能够阻止氢渗漏的容器壁。

进一步的，也可以在所述基体材料固化之后，在所述压力容器的外壁上再覆盖一层阻氢层，以提升阻止氢渗漏的效果。

进一步的，所述压力容器为扁平形状，且沿所述压力容器的四周设置有封边，所述封边是所述三维机织纤维壳体上下两壁的边缘结合部，所述封边由贯穿所述三维机织纤维壳体上下两壁边部层厚的连续垂纱捆绑收紧后形成的一体结构。

进一步的，所述压力容器为扁平形状，且所述压力容器的四周设置有圆弧侧壁，所述圆弧侧壁是所述三维机织纤维壳体上下两壁的边缘连接部，所述圆弧侧壁与所述三维机织纤维壳体上下两壁是由连续纬纱织成。

进一步的，所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束的实际分布密度应不小于理论分布密度，所述的理论分布密度的计算公式如下：

C＝P/(T*S)

式中，C为连丝分布密度，单位为根/cm²；P为容器内压力，单位为kgf/cm²；T为碳纤维抗拉强度，单位为kgf/mm²；S为丝束截面积，单位为mm²。

进一步的，所述压力容器的表面具有多个用于连接阀门的三维机织管道，所述三维机织管道与所述三维机织纤维预制体通过三维机织的方式一体成型。

进一步的，所述压力容器为具有一定长度的柔性压力容器，收卷后用于较低压力的储水、储油或储气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用了三维机织技术，将高性能增强纤维丝束以三维正交的形式直接组织成一个紧密坚固的压力容器预制体，不需要内胆作为内模，并且在压力容器预制体两壁之间均匀密布有用于承担压力容器内压的连丝结构，因此本发明的压力容器性能会优于传统缠绕技术制作的气瓶，在同等压力和容积情况下，本发明的压力容器可以用更小的壁厚便能达到储氢要求，从而节省了原料，减轻了重量，提高了质量储氢密度与体积储氢密度。

2、本发明采用的高性能增强纤维，由于具有极好的抗拉伸强度，因此用高性能增强纤维制作的连丝结构来承担压力容器的内压力，便可以用较小的壁厚，来制作很高压力的安全的压力容器。

3、本发明可以制成非圆筒型结构的压力容器，可用于乘用车的车载储氢容器，从而更容易布置在车内，并且取得更大的容积，得到更好的质量储氢密度及体积储氢密度。

4、本发明的这种具有连丝结构的压力容器不仅限于作为储氢容器使用，也可以用于其它用途的压力容器，同样还不限于制成刚性的压力容器，也可以织成柔性的压力容器，用于较低压力的储水、储油、储气等用途。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面以本发明的较佳实施例，并结合附图进行详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的扁平压力容器的结构示意图；

图2为本发明内部的连丝结构的结构示意图；

图3为本发明的双壁边缘结合部为封边结构时的截面图；

图4为本发明的双壁边缘连接部为弧形侧壁结构时的截面图；

图5为本发明的柔性压力容器在卷成圆筒状时的结构示意图；

图6为本发明应用垂纱织法织出三维机织纤维预制体中封边以及上下两壁的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1-3所示，一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，为一个由紧密的三维机织纤维预制体充填基体材料后固化成型得到的压力容器1，所述三维机织纤维预制体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制作而成，所述经纱、所述纬纱和所述垂纱均为高性能增强纤维丝束；所述三维机织纤维预制体由外部的三维机织纤维壳体2和内部的连丝结构3组成，所述连丝结构3为均匀分布在所述三维机织纤维壳体2相对的两壁之间的多根贯穿双壁的高性能增强纤维丝束301，每根所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束301均被所述三维机织纤维壳体2双壁的三维机织物定位并固定，以此由所述三维机织纤维壳体2的双壁以及被所述三维机织纤维壳体2双壁定位并固定的所述连丝结构3共同承担所述压力容器1的内压力。

进一步的，所述高性能增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维中的一种或多种混合。

进一步的，所述基体材料为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料中的一种或多种混合；所述基体材料应与所述三维机织纤维预制体良好结合，从而形成能够阻止氢渗漏的容器壁。

进一步的，也可以在所述基体材料固化之后，在所述压力容器 1的外壁上再覆盖一层阻氢层，以提升阻止氢渗漏的效果。

进一步的，所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束301的实际分布密度应不小于理论分布密度，所述的理论分布密度的计算公式如下：

C＝P/(T*S)

式中，C为连丝分布密度，单位为根/cm²；P为容器内压力，单位为kgf/cm²；T为碳纤维抗拉强度，单位为kgf/mm²；S为丝束截面积，单位为mm²。

本发明所采用的三维机织技术，可以在相对的容器壁之间均匀密布高性能增强纤维丝束，用这些等长的高性能增强纤维丝束也能起到限制压力容器变形和均匀受力的作用，这样就可以制作出非圆筒形的压力容器，例如平坦形状的压力容器。

进一步的，参见图1和图3所示，所述压力容器1为扁平形状，且沿所述压力容器1的四周设置有封边4，所述封边4是所述三维机织纤维壳体2上下两壁的边缘结合部，所述封边4由贯穿所述三维机织纤维壳体2上下两壁边部层厚的连续垂纱捆绑收紧后形成的一体结构。

三维机织工艺中，垂纱的应用至关重要。垂纱一方面增加了三维机织物在厚度方向上的增强纤维分布，有利于提高复合材料在厚度方向上的机械强度；另一方向，垂纱以及连接垂纱的“飞”，对三维多层织物实现了层间收紧捆绑，使得三维机织物中的经纱、纬纱、垂纱成为一个紧密连接的整体。合理应用垂纱织法，还可以整体织出密闭容器。

参见图6所示，图6表示应用垂纱织法织出压力容器的三维机织纤维预制体中封边以及上下两壁的示意图。图6中，

A1表示1号垂纱，其收紧了封边以及上壁，注意上壁的厚度只有封边的1/2；A2表示2号垂纱，是1号垂纱的补，即1号垂纱的上飞对应2号垂纱的下飞，1号垂纱与2号垂纱交替应用，使得三维机织纤维预制体的上壁与封边成为一个整体；

A3表示3号垂纱，其收紧了封边以及下壁，注意下壁的厚度同样只有封边的1/2，A4表示4号垂纱，是3号垂纱的补，即3号垂纱的上飞对应4号垂纱的下飞，3号垂纱与4号垂纱交替应用，使得三维机织纤维预制体的下壁与封边成为一个整体；

A5表示1号～4号垂纱交替应用后的效果，可以看到在垂纱的约束收紧捆绑下，封边与三维机织纤维预制体的两壁整体机织成型的效果。

进一步的，参见图4所示，所述压力容器1为扁平形状，且所述压力容器1的四周设置有圆弧侧壁5，所述圆弧侧壁5是所述三维机织纤维壳体2上下两壁的边缘连接部，所述圆弧侧壁5与所述三维机织纤维壳体2上下两壁是由连续纬纱织成。需要说明的是，这种连续纬纱只能用梭式织机实现，由于梭内纡管的储纱量有限，因此当梭内纱线用完需要换梭时，纬纱的接头成为薄弱环节，因此这种方案适用于小型的储氢压力容器。

以上是本发明两种扁平形状的压力容器的实施例，从图3和图 4中可以看到均匀密布的高性能增强纤维丝束。由于高性能增强纤维有极好的拉伸强度，因此这种结构的压力容器用较小的壁厚就可以承担很大的压力。这样既减少了高性能增强纤维的用量，减轻了压力容器的重量并且降低成本，又可以极大提高储氢压力容器的质量密度与体积密度值。

进一步的，所述压力容器1的表面具有多个用于连接阀门的三维机织管道，所述三维机织管道与所述三维机织纤维预制体通过三维机织的方式一体成型。

传统的气瓶都需要连接阀门，通常至少3个阀门，包括充气阀、供气阀(减压阀)、安全阀。而对于传统由缠绕工艺制成的气瓶来说，其在高压阀门的连接加固方面是个难题，通常只能在气瓶的两个端部分别安装阀门，因而需要专门设计的集成度很高的瓶口阀，且实际上阀门是连接在瓶胆上的。目前，国外公司开发了专门用于车载气瓶的集成组件阀，称为“瓶口阀”，可直接安装在气瓶的端部，形成了技术垄断。

然而，本发明的这种由三维机织方式制成的压力容器，不仅不需要内胆，而且可以在机织压力容器本体时直接在其表面织出用于连接阀门的三维机织管道，而且可以是多个不同管径的三维机织管道，这样就可以避免在国外垄断的“瓶口阀”这一关键技术上被“卡脖子”。

三维机织物的整体成型技术是优于传统金属材料的优势技术之一。传统金属材料在制作大型密闭容器时，难免需要处理接缝，常用的焊接、法兰、螺拴、铆接等，都会有强度问题和密封问题。三维机织物的整体成型技术，也是一种无接缝整体成型技术，非常适合制作大型压力容器，不会有因为接缝而产生的强度问题和泄露问题。这边提到的罐体用于连接阀门的管道，三维机织技术可以比较容易地无接缝处理，而传统金属材料就比较困难。

进一步的，参见图5所示，所述压力容器1为具有一定长度的柔性压力容器，可以用于较低压力的储水、储油或储气，并且可以收卷后使用，大大缩小了占地面积，并可快速搭建。

例如设计制作70MPa储氢压力容器，按安全系数2.0设计，则罐内压力为70MPa*2＝140MPa，T300碳纤维的抗拉强度为 360kgf/mm²，24K碳纤维丝束的截面积为0.9236mm²，

根据公式C＝P/(T*S)＝140*100/9.8/(360*0.9236)＝4.3根/cm²，

T300碳纤维是最低档的碳纤维，也是售价最便宜的碳纤维，但是在连丝结构的储氢压力容器中，只要满足连丝分布密度大于等于 4.3根/cm²，就可以安全制作70MPa储氢压力容器，其低成本、高性能一目了然。在机织工艺中设定连丝的纬向分布密度为2根/cm，经向的打纬密度为2根/9mm，就可以达到要求。特别是此项设计只与容器内压力与连丝本身的抗拉强度相关，与容器的容积无关，这意味着制作大容积的连丝结构的压力容器，其储氢质量密度及容积密度优势更为明显。

由此可见本发明的这种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，不仅容积大，自身重量轻，而且可承受的压力大，有很高的储氢质量密度和体积密度。与传统钢制气瓶相比，本发明在同等压力和容积情况下，用更小的壁厚就能达到储氢要求。同时，本发明的这种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器还有一个突出的优点是安全。

传统钢制气瓶的构成模型与炸弹的模型是一样的，所以这种高压气瓶总让人有大炸弹的恐怖感觉。虽然碳纤维缠绕气瓶要好一些，但是其金属内胆或者非金属内胆还是一个炸弹模型，只是在外面裹了厚厚的高强度的碳纤维丝，在碳纤维足够厚的时候，是安全的，特别是“未爆先漏”的原则，保证了这是一个炸不起来的“炸弹”。

本发明的这种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器的构成模型与炸弹完全不同，其每一平方厘米容器壁都有许多高性能增强纤维限位牵引，容器壁本身也是纵横交错的高性能增强纤维三维织造完成的，完全不会产生“炸弹碎片”这样的东西，即使遭到强力破坏，也是部分高性能增强纤维断裂，出现泄漏，不会出现“炸弹”爆炸这样的情况，是一种天生满足压力容器“未爆先漏”原则的结构。所以本发明的这种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器相比传统钢制气瓶的压力容器有更高的安全性。

本发明这个项目对于我国的意义重大，因为解决了氢能源的储存、运输难题。有了本发明的这种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，风电--制氢--储氢--运出，光电--制氢--储氢--运出，这样的能源计划从而得以实施，这样在无人荒岛、无人沙漠，都可以建立无人值守、自动运行的氢能源站。

本发明的这项技术还可以用于航空航天，比如外太空飞行器的二次动力，太空行走的宇航员，都可以配置这种高压异形气罐，以压缩空气为动力，轻质、高压、异形、安全。以至于氢能源的飞机、氢能源的轮船，都是可以实现的。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，其特征在于：为一个由紧密的三维机织纤维预制体充填基体材料后固化成型得到的压力容器（1），所述三维机织纤维预制体采用经纱、纬纱和垂纱以三维机织的方式制作而成，所述经纱、所述纬纱和所述垂纱均为高性能增强纤维丝束；所述三维机织纤维预制体由外部的三维机织纤维壳体（2）和内部的连丝结构（3）组成，所述连丝结构（3）为均匀分布在所述三维机织纤维壳体（2）相对的两壁之间的多根贯穿双壁的高性能增强纤维丝束（301），每根所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束（301）均被所述三维机织纤维壳体（2）双壁的三维机织物定位并固定，以此由所述三维机织纤维壳体（2）的双壁以及被所述三维机织纤维壳体（2）双壁定位并固定的所述连丝结构（3）共同承担所述压力容器（1）的内压力；

所述高性能增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、石英纤维、陶瓷纤维、金属纤维中的一种或多种混合；

所述基体材料为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料中的一种或多种混合；所述基体材料与所述三维机织纤维预制体良好结合，以形成能够阻止氢渗漏的容器壁；或在所述基体材料固化之后，在所述压力容器（1）的外壁上再覆盖一层阻氢层，以提升阻止氢渗漏的效果；

所述贯穿双壁的高性能增强纤维丝束（301）的实际分布密度应不小于理论分布密度，所述的理论分布密度的计算公式如下：

C = P/（T*S）

式中，C为连丝分布密度，单位为根/cm²；P为容器内压力，单位为kgf/cm²；T为碳纤维抗拉强度，单位为kgf/mm²；S为丝束截面积，单位为mm²。

2.根据权利要求1所述的三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，其特征在于：所述压力容器（1）为扁平形状，且沿所述压力容器（1）的四周设置有封边（4），所述封边（4）是所述三维机织纤维壳体（2）上下两壁的边缘结合部，所述封边（4）由贯穿所述三维机织纤维壳体（2）上下两壁边部层厚的连续垂纱捆绑收紧后形成的一体结构。

3.根据权利要求1所述的三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，其特征在于：所述压力容器（1）为扁平形状，且所述压力容器（1）的四周设置有圆弧侧壁（5），所述圆弧侧壁（5）是所述三维机织纤维壳体（2）上下两壁的边缘连接部，所述圆弧侧壁（5）与所述三维机织纤维壳体（2）上下两壁是由连续纬纱织成。

4.根据权利要求1所述的三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，其特征在于：所述压力容器（1）的表面具有多个用于连接阀门的三维机织管道，所述三维机织管道与所述三维机织纤维预制体通过三维机织的方式一体成型。

5.根据权利要求1所述的三维机织高性能增强纤维连丝结构储氢压力容器，其特征在于：所述压力容器（1）为具有一定长度的柔性压力容器，收卷后用于较低压力的储水、储油或储气。