CN116811291A - 一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺，所述装备包括驱动装置、模具、气压控制系统、加热冷却系统、控制系统。所述加热冷却系统包括模具加热装置、模内气体加热装置、模具冷却装置。所述气压控制系统包括气囊、旋转接头、压力表、截止阀、真空泵、空气压缩机、气体导管等。所述工艺包括碳纤维缠绕/铺层、注胶、旋转、抽真空、加压、加热固化、冷却、脱模等基本步骤，在构建碳纤维网状、编织或顺序缠绕结构后，通过引导以片状纳米材料和球状纳米材料为代表的纳米材料主动阻塞气体通道、延长气体渗漏路径的方法提高复合材料气体阻隔效果。同时，连续碳纤维增强了基板，使基板在阻隔气体的同时具备承压能力。

Description

一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺

技术领域

本发明属于聚合物复合材料加工成型领域，具体涉及一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺。

背景技术

作为连接气态能源开发、运输和使用的关键纽带，以储氢瓶和天然气储罐为代表的高压气体储罐对轻量化和高性能要求越来越迫切。目前已有的Ⅳ型储氢瓶是一种比较前沿和轻量化的高压气体储罐。其包含了塑料内胆、碳纤维复合材料层和玻纤复合材料保护层。其中塑料内胆主要用于防止氢气泄漏，碳纤维复合材料层用于承受内部高压，玻纤复合材料层用于保护碳纤维复合材料层。随着Ⅳ型储氢瓶设计制造技术的发展，越来越精密的工艺和控制方法被用于优化储氢瓶结构和缩减各层的层厚。但塑料内胆依然保留着较大的质量占比，而其在承受高压方面的作用几乎可以忽略不计。

作为一种更加轻质的储氢瓶，Ⅴ型储氢瓶抛弃了塑料内胆，仅用碳纤维复合材料层承受压力并同时作为防止气体泄漏的结构部件使用。通常的Ⅴ型储氢瓶采用浸润树脂的连续纤维缠绕成型，或者目前公布的一些天然气储罐采用模压半个储氢瓶后焊接成型。但现有的Ⅴ型储氢瓶均难以承担高压储氢任务，其主要原因之一是碳纤维复合材料在缠绕固化后形成了“高架桥”结构，缠绕过程中又仅受预紧力作用，固化过程完全处于常压状态，极易在固化后因为树脂聚合收缩导致内部孔隙增加，对气体的阻隔性低，难以保障高压气体防泄漏。对于前述的焊接成型，虽然可以通过模压降低树脂固化后产生的孔隙率，但焊接面完全由树脂或粘合胶连接，不具备高抗拉和剪切强度，因此无法在高压条件下使用。

为实现储氢瓶进一步轻量化和高阻隔的目标，可用的方法就是开发出连续碳纤维增强的高阻隔复合材料基板，用于继续缠绕碳纤维复合材料最终形成Ⅴ型储氢瓶。前人尝试开发过高阻隔的连续纤维增强复合材料，但溶剂脱除的路径为气体泄漏提供了通道，同样未能满足高阻隔要求。因此，现阶段暂未有生产工艺可以制造出强度高、轻量化效果好、阻隔性高的碳纤维增强复合材料的缠绕基板。

发明内容

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺。本发明制造出强度高、轻量化效果好、阻隔性高的碳纤维增强复合材料的缠绕基板。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺，在构建碳纤维网状、编织或顺序缠绕结构后，通过引导以片状纳米材料和球状纳米材料为代表的纳米材料主动阻塞气体通道、延长气体渗漏路径的方法提高复合材料气体阻隔效果。同时，连续碳纤维增强了基板，使基板在阻隔气体的同时具备承压能力，在同样的承压需求下，可减少外层碳纤维复合材料的用量。本发明所述基板成型装备结构简单，制造可控性能好。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺所述的高阻隔连续纤维增强复合材料基板的结构是：连续碳纤维网布作为基础支撑结构，纳米材料作为填料附着于气瓶基板的内侧，反应液浸透纳米材料和连续碳纤维，形成复合材料。基板成型后继续在基板外侧缠绕碳纤维复合材料以获得足够的承压能力。本发明所述基板因为负载了纳米材料而形成了更加曲折的气体扩散通道，避免了气体直接从连续纤维复合材料形成的架桥孔隙中扩散；且纳米材料层位于内侧，可在承压工作时与碳纤维网布层上的孔隙构成类似单向阀的“阀式”结构，最终使承压压力越大，气体阻隔性能越好；此外，连续纤维增强的基板相比于Ⅳ型储氢瓶塑料内胆，大幅提升了强度和模量，可减少最终气瓶重量并降低碳纤维缠绕难度。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺所述的高阻隔连续纤维增强复合材料基板的成型原理是：纳米材料被混合在反应液中形成混合液；混合液在压力差、电磁力或超声波等外场力的作用下，其中的反应液被挤压到相邻连续纤维间隙中，而纳米材料被嵌入或铺层在连续纤维上，最终反应液固化后将连续纤维和纳米材料锁定，形成复合材料。因为不需要经历干燥等脱除其中水分或其他分子结构比氢气大的物质，因此不会形成气体通道。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺所述的装备包括驱动装置、模具、气压控制系统、加热冷却系统、控制系统。所述加热冷却系统包括模具加热装置、模内气体加热装置、模具冷却装置。所述气压控制系统包括气囊、旋转接头、压力表、截止阀、真空泵、空气压缩机、气体导管等。本发明所述工艺至少包括碳纤维缠绕/铺层、注胶、旋转、抽真空、加压、加热固化、冷却、脱模等基本步骤。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺的具体装备连接方式为：模架用于固定模具，模架与主旋转臂之间通过轴承旋转连接。主旋转臂与机架通过轴承旋转连接，组成的系统可驱动模架在空间内双轴旋转运动。模具上设置有微型排气孔，排气孔与真空钢管固接并连通。真空钢管与位于模具瓶口位置处的真空软管通过管接头连接，真空软管通过旋转接头和截止阀与真空泵连接。模具上位于瓶口处设置有闭口嵌件固定件和开口嵌件固定件，分别用于固定闭口嵌件和开口嵌件。气囊固定件与开口嵌件固定件同轴固接并固定气囊，气囊固定件上同轴安装有气体导管，且连接位置密封焊接或通过螺纹连接。气囊固定件位于开口嵌件固定件内侧。气体导管经过旋转接头与截止阀连接，中间安装有压力表。截止阀后端依次连接空气加热器和空气压缩机。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺的工艺步骤为：

步骤一、碳纤维缠绕/铺层：优选地，依据储氢瓶结构，在缠绕机或编织机上缠绕/编织出具有一定厚度的连续碳纤维网布；备选地，依据具体需求补充局部碳纤维厚度；然后将碳纤维网布安装在模具内。优选地，可将碳纤维(连续纤维)预缠绕在阀座(嵌件)上，使反应液固化后可与阀座(嵌件)形成更高强度的连接，并通过模具定位阀座，使阀座之间的同轴度更高，避免因为聚合物收缩导致轴偏移。备选地，成型基板后再安装阀座。

步骤二、注胶：将混合了一定比例纳米材料的反应液计量后，通过开口嵌件中间注入模具内，使反应液位于碳纤维网布内侧。

步骤三、合模：合紧模具，使用闭口嵌件固定件固定闭口嵌件；将气囊从开口嵌件的开口处塞入模具，并固定。

步骤四、抽真空：打开真空截止阀和截止阀，通过真空泵抽走模具及气囊中的气体，形成真空状态，关闭截止阀。

步骤五、旋转：启动驱动装置，驱动模具旋转，使混合液均匀分布在碳纤维网布的内侧。

步骤六、加压：打开加压截止阀，通过空气压缩机向气囊中注入气体，迫使气囊形变并将附着在碳纤维网布内表层的反应液推向碳纤维网布的外侧，进而带动混合物中的纳米材料堆积在碳纤维网布的内表层，保持压力，通过压力表监测模内压力；注入气囊的空气温度通过空气加热器控制，优选气囊内的空气温度低于模具加热后的温度。

步骤七、加热固化：通过模具加热装置加热模具，使尼龙反应液或树脂加速反应固化。

步骤八、冷却：待固化完成后，通过加热冷却系统冷却模具及产品(基板)。

步骤九、泄压：打开真空截止阀和加压截止阀，去除气囊中的气体，并取出气囊。

步骤十、脱模：开模，将制品从模具中取出，完成基板制造。

步骤十一、缠绕固化：将基板安装在碳纤维缠绕设备上并按照使用需求和结构设计要求，缠绕浸渍了树脂的碳纤维复合材料，缠绕完成后防止在固化炉内固化形成储氢气瓶。

本发明所述碳纤维网布优选由缠绕机缠绕或编织机编织的具有支撑强度的碳纤维网布，且碳纤维网布在缠绕或编织后已初步具有基板的形状；备选地，碳纤维网布通过铺展的方式铺层在模具上。

本发明所述碳纤维网布铺展或安置在模具上时，不应有穿透式断层。

本发明所述反应液优选尼龙反应液(己内酰胺+催化剂+活化剂)，聚合反应后不存在其他物质需要脱除，微结构被固定。备选地，反应液可选择环氧树脂反应液。备选地，可采用其他聚合物反应液反应固化。

本发明所述纳米材料优选片状纳米材料和球状纳米材料。纳米材料在反应液中应分散充分，不能团聚；必要地，可使用超声波辅助纳米材料在反应液中分散。混合纳米材料时，优选不同尺寸的纳米材料混合。

本发明所述加热固化工艺的温度优选70-150℃，具体温度依据反应液的最佳反应温度选取。

本发明所述气囊的材料优选橡胶弹性体，备选地，其他弹性体材料亦可。本发明所述气囊表面优选涂覆或镀层脱模剂，防止气囊与固化后的复合材料粘连。

本发明所述加压工艺中，如有必要，可采用超声波辅助反应液浸润纤维。

作为一种替代的方法，本发明所述碳纤维缠绕/铺层工艺中，连续碳纤维可预缠绕在气囊上，而非铺层在模具上。此时，反应液与纳米材料的混合液应从连续纤维网布的外侧向内侧浸润，最终的气瓶结构也会变为碳纤维复合材料层-纳米材料层-碳纤维复合材料层的夹心结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过单侧加压渗透的方式促使片层或球状功能填料填充连续纤维编织/铺层后形成的气体通道，形成单向“阀”式结构，提升了连续纤维增强的复合材料气体阻隔性能。本发明使连续纤维增强复合材料模内固化成型，创造了一种一体化构建中空连续纤维增强复合材料制品，避免了焊接等工艺造成的局部无连续纤维增强的短板问题。本发明通过模内成型，可一体成型含阀座(嵌件)的中空气瓶基板，使阀座(嵌件)与气瓶可通过机械结构连接，连接更加可靠，抗氢泄漏效果更好。本发明通过模具限制基板外形，基板内侧充气增压，可提升连续纤维增强复合材料成型后的相对密度，减少了孔隙率，提升材料机械性能和阻隔性能。此外，本发明提出的工艺提供了一个更平缓的表面，避免了快速过渡的表面在压力容器工作中产生潜在隐患。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中普通连续纤维缠绕结构的气体渗透结构示意图。

图3为本发明中核心工艺结构示意图。

图4为本发明中Ⅴ型储氢瓶结构结构示意图。

图中：

1-模具；2-连续碳纤维网布；201-连续碳纤维网布层；202-纳米材料层；3-气囊；4-开口嵌件；5-嵌件固定件；6-气囊固定件；7-气体导管；8-旋转接头；9-压力表；10-截止阀；11-空气压缩机；12-空气加热器；13-真空泵；14-截止阀；15-截止阀；16-旋转接头；17-真空钢管；18-模架；19-主旋转臂；20-机架；21-嵌件固定件；22-闭口嵌件；23-纳米材料；24-外层缠绕碳纤维复合材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

如图3所示，连续碳纤维网布2作为基础支撑结构，纳米材料23附着于气瓶基板的内侧，反应液浸透纳米材料23和连续碳纤维网布2，形成复合材料。如图4所示，基板成型后继续在基板外侧缠绕碳纤维复合材料24以获得足够的承压能力。如图3所示，本发明所述基板因为负载了纳米材料23而形成了更加曲折的气体扩散通道，避免了如图2所示气体直接从连续纤维复合材料形成的架桥孔隙中扩散；且纳米材料层202位于内侧，可在承压工作时与碳纤维网布层201上的孔隙构成类似单向阀的“阀式”结构，最终使承压压力越大，气体阻隔性能越好；此外，连续纤维增强的基板相比于Ⅳ型储氢瓶塑料内胆，大幅提升了强度和模量，可减少最终气瓶重量并降低碳纤维缠绕难度。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺所述的高阻隔连续纤维增强复合材料基板的成型原理是：如图3所示，纳米材料23被混合在反应液中形成混合液；混合液在压力差、电磁力或超声波等外场力的作用下，其中的反应液被挤压到连续纤维间隙中，而纳米材料23被嵌入或铺层在连续纤维网布2上，最终反应液固化后将连续纤维网布2和纳米材料23锁定，形成复合材料。因为不需要经历干燥等脱除其中水分或其他分子结构比氢气大的物质，因此不会形成气体通道。

如图1所示，本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺所述的装备包括驱动装置、模具1、气压控制系统、加热冷却系统、控制系统。所述加热冷却系统包括模具加热装置、模内气体加热装置12、模具冷却装置。所述气压控制系统包括气囊3、旋转接头8、压力表9、截止阀10、空气压缩机11、真空泵13、气体导管7等。本发明所述工艺至少包括碳纤维缠绕/铺层、注胶、旋转、抽真空、加压、加热固化、冷却、脱模等基本步骤。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺的具体装备连接方式为：模架18用于固定模具1，模架18与主旋转臂19之间通过轴承旋转连接。主旋转臂19与机架20通过轴承旋转连接，组成的系统可驱动模架18在空间内双轴旋转运动。模具1上设置有微型排气孔，排气孔与真空钢管17固接并连通。真空钢管17与位于模具1瓶口位置处的真空软管通过管接头连接，真空软管通过旋转接头和截止阀14与真空泵13连接。模具1上位于瓶口处设置有闭口嵌件固定件21和开口嵌件固定件5，分别用于固定闭口嵌件22和开口嵌件4。气囊固定件6与开口嵌件固定件5同轴固接并固定气囊3，气囊固定件6上同轴安装有气体导管7，且连接位置密封焊接或通过螺纹连接。气囊固定件6位于开口嵌件固定件5内侧。气体导管7经过旋转接头8与截止阀10连接，中间安装有压力表9。截止阀10后端依次连接空气加热器12和空气压缩机11。

本发明一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型装备及工艺的工艺步骤为：

步骤一、碳纤维缠绕/铺层：优选地，依据储氢瓶结构，在缠绕机或编织机上缠绕/编织出具有一定厚度的连续碳纤维网布2；备选地，依据具体需求补充局部碳纤维厚度；然后将碳纤维网布2安装在模具1内。优选地，可将碳纤维(连续纤维)预缠绕在阀座(嵌件)上，使反应液固化后可与阀座(嵌件)形成更高强度的连接，并通过模具1定位阀座，使阀座之间的同轴度更高，避免因为聚合物收缩导致轴偏移。备选地，成型基板后再安装阀座。

步骤二、注胶：将混合了一定比例纳米材料23的反应液计量后，通过开口嵌件4中间注入模具1内，使反应液位于碳纤维网布2内侧。

步骤三、合模：合紧模具1，使用闭口嵌件固定件21固定闭口嵌件22；将气囊3从开口嵌件4的开口处塞入模具1，并固定；

步骤四、抽真空：打开真空截止阀14和截止阀15，通过真空泵13抽走模具1及气囊3中的气体，形成真空状态，关闭截止阀；

步骤五、旋转：启动驱动装置，驱动模具1旋转，使混合液均匀分布在碳纤维网布2的内侧；

步骤六、加压：打开加压截止阀10，通过空气压缩机11向气囊3中注入气体，迫使气囊3形变并将附着在碳纤维网布2内表层的反应液推向碳纤维网布2的外侧，进而带动混合物中的纳米材料23堆积在碳纤维网布2的内表层，如图3所示，保持压力，通过压力表监测模内压力；注入气囊的空气温度通过空气加热器控制，优选气囊3内的空气温度低于模具1加热后的温度。

步骤七、加热固化：通过模具加热装置加热模具1，使尼龙反应液或树脂加速反应固化；

步骤八、冷却：待固化完成后，通过加热冷却系统冷却模具1及产品(基板)；

步骤九、泄压：打开真空截止阀14和加压截止阀10，去除气囊3中的气体，并取出气囊3；

步骤十、脱模：开模，将制品从模具1中取出，完成基板制造；

步骤十一、缠绕固化：将基板安装在碳纤维缠绕设备上并按照使用需求和结构设计要求，缠绕浸渍了树脂的碳纤维复合材料，缠绕完成后防止在固化炉内固化形成储氢气瓶。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：所述装备包括驱动装置、模具、气压控制系统、加热冷却系统、控制系统；所述加热冷却系统包括模具加热装置、模内气体加热装置、模具冷却装置；所述气压控制系统包括气囊、旋转接头、压力表、截止阀、真空泵、空气压缩机、气体导管等；所述工艺包括碳纤维缠绕/铺层、注胶、旋转、抽真空、加压、加热固化、冷却、脱模等基本步骤，在构建碳纤维网状、编织或顺序缠绕结构后，通过引导以片状纳米材料和球状纳米材料为代表的纳米材料主动阻塞气体通道、延长气体渗漏路径的方法提高复合材料气体阻隔效果；同时，连续碳纤维增强了基板，使基板在阻隔气体的同时具备承压能力。

2.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：成型原理是纳米材料被混合在反应液中形成混合液；混合液在压力差、电磁力或超声波等外场力的作用下，其中的反应液被挤压到相邻连续纤维间隙中，而纳米材料被嵌入或铺层在连续纤维上，最终反应液固化后将连续纤维和纳米材料锁定，形成复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：其结构是连续碳纤维网布作为基础支撑结构，纳米材料作为填料附着于气瓶基板的内侧，反应液浸透纳米材料和连续碳纤维，形成复合材料，基板成型后继续在基板外侧缠绕碳纤维复合材料以获得足够的承压能力；本发明所述纳米材料位于基板内侧，可在承压工作时与碳纤维上的孔隙构成类似单向阀的“阀式”结构，最终使承压压力越大，气体阻隔性能越好；此外，连续纤维增强的基板相比于Ⅳ型储氢瓶塑料内胆，提升了强度和模量，可减少最终气瓶重量并降低碳纤维缠绕难度。

4.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：优选地，依据储氢瓶结构，在缠绕机或编织机上缠绕/编织出具有一定厚度的连续碳纤维网布；备选地，依据具体需求补充局部碳纤维厚度；然后将碳纤维网布安装在模具内；优选地，可将碳纤维(连续纤维)预缠绕在阀座(嵌件)上，使反应液固化后可与阀座(嵌件)形成更高强度的连接，并通过模具定位阀座，使阀座之间的同轴度更高，避免因为聚合物收缩导致同轴度增大；备选地，成型基板后再安装阀座。

5.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：所述碳纤维网布铺展或安置在模具上时，不应有穿透式断层。

6.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：气囊内的空气温度低于模具加热后的温度。

7.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：所述加压工艺中，如有必要，可采用超声波辅助反应液浸润纤维。

8.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：所述纳米材料优选片状纳米材料和球状纳米材料；纳米材料在反应液中应分散充分，不能团聚；必要地，可使用超声波辅助纳米材料在反应液中分散；混合纳米材料时，优选不同尺寸的纳米材料混合。

9.根据权利要求1所述的一种高阻隔连续纤维增强的气瓶基板成型工艺及装备，其特征在于：所述气囊的材料优选橡胶弹性体，备选地，其他弹性体材料亦可。