CN1280573C - 纤维缠绕复合材料压力容器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维缠绕复合材料压力容器及其制造方法，主要解决压力容器整体性能发挥不好的问题，提供一种耐压强度高的纤维缠绕复合材料压力容器及其制造方法。一种纤维复合材料压力容器，它包括纤维缠绕复合材料层及压力容器内衬，其特征在于：所述压力容器内衬与所述纤维缠绕复合材料层之间以及纤维缠绕复合材料层与层之间铺敷有变形协调层。其制造方法为：1)用金属材料加工成内衬；2)将纤维复合材料经环氧树脂浸渍处理，以缠绕方式缠至金属内衬上；3)复合材料纤维缠绕层的层与层之间预埋有变形协调层；4)分层固化。其具有质量轻、成本低、质量稳定、耐疲劳性能及防爆性能好等优点。即使遭到破坏也不会产生出大量杀伤性碎片。

Description

纤维缠绕复合材料压力容器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压力容器及其制造方法，特别是一种用纤维缠绕复合材料成型的压力容器及其制造方法。

技术背景

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。

发明内容

为了提高纤维缠绕复合材料压力容器的层间效果，解决压力容器整体性能发挥不好的问题，本发明的目的是提供一种耐压强度高、疲劳性能好的覆有层间结构的纤维缠绕复合材料压力容器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种纤维缠绕复合材料压力容器，它包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与所述压力容器内外相连通；其特征在于：所述内衬与所述纤维缠绕复合材料层之间以及纤维缠绕复合材料层与层之间铺敷有变形协调层。

所述的纤维缠绕复合材料层为多层。

所述变形协调层为高分子胶膜层，其厚度为0.1-2.0mm；该高分子胶膜采用环氧树脂。

所述内衬为球形、柱形或环形状。

所述纤维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。

为实现上述目的，本发明同时提供了上述纤维缠绕复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：它包括如下步骤：1)用金属或非金属材料制造内衬；2)在步骤1)成型的内衬上铺敷变形协调层；3)在步骤2)的变形协调层上制造复合结构层；4)分层固化。

上述步骤3)的复合结构层由纤维缠绕复合材料层与变形协调层交替覆着且至少循环2次制造而成；所述纤维缠绕复合材料层以连续缠绕方式构成。

上述的缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。

上述步骤4)分层固化的具体步骤为：先将纤维缠绕复合材料层缠绕至一定厚度；在步骤1)形成的纤维缠绕复合材料层上铺敷一层变形协调层；将步骤2)冷却至室温后，经过打磨后固化；再依次循环其步骤1)～步骤3)的成型步骤，形成自然分层固化。

上述变形协调层就是在分层的间隙铺覆一种特殊的高分子胶膜，高分子胶膜选用环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯树脂中一种，其厚度为0.1-2.0mm，在纤维缠绕复合材料的层与层之间形成一种夹层。

上述纤维缠绕复合材料的纤维选用高性能复合材料，所述高性能复合材料为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等，纤维浸渍树脂选用聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂中一种。

本发明采用以上技术方案，其优点如下：

1、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—应变传递效率，降低负面效应的影响。

2、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。

3、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为本发明的整体结构示意图

图2为图1A-A面层状结构示意图

图3为本发明成型工艺流程图

具体实施方式

本发明是针对影响纤维缠绕复合材料压力容器的整体性能，纤维利用率等关键问题提出的，因此，本发明对制造高性能纤维缠绕复合材料压力容器具有非常重要的意义。

如图1所示，本发明的纤维缠绕复合材料压力容器包括内衬1、复合材料层2、变形协调层3，变形协调层3位于内衬1与复合材料层2之间；复合材料层2由纤维缠绕层21与变形协调层3以多层交替重叠的方式构成；在压力容器一端设有一将压力容器内外相连通的介质进出口。

如图2所示，该压力容器的内衬1由金属或非金属材料制作，金属材料选用铝合金、不锈钢或钛合金中一种；非金属材料选用尼龙、橡胶或者塑料中一种，压力容器的形状可以根据客户需要设定为柱形、球形、环形或其它回转体；在其外表面先铺覆一层变形协调层，变形协调层为一种高分子胶膜成形，该高分子胶膜采用环氧树脂，也可以采用酚醛树脂或聚氨酯树脂，其铺覆厚度为0.1-2.0mm；在其高分子胶膜表面上用连续纤维交替进行一定层数的环向和纵向缠绕，缠绕的纤维层渗透于高分子胶膜内，自然固化；在纤维缠绕层上再铺覆一层上述的高分子胶膜层，用上述纤维继续重复上述的缠绕；以此类推，直至最外一层。

复合材料层2采用经双酚A型环氧树脂、乙烯基酯树脂等浸渍过的纤维增强材料缠绕制作，层间夹设的变形协调层3选用高分子胶膜，高分子胶膜厚度在0.1-2.0mm之间。

本发明的压力容器以气瓶为例对其技术方案作进一步详细说明：

实施例一：

如图3所示，本发明的制备工艺为：

1)采用铝合金材料制造气瓶的内衬；

2)将经过环氧树脂浸渍的碳纤维以纵、环向连续交替缠绕至上述铝合金内衬上；

3)根据所用树脂所具有的特性决定其固化时间，检验成品。

其中纤维的纵环向缠绕复合材料是一关键步骤，它直接影响到整个复合材料压力容器的性能发挥，本发明在实施过程中采用了分层固化的工艺，并且在层间加入了起层间作用的变形协调层。

铝合金内衬采用常规的整体成型或焊接式成型方法制造，其内衬在成型后要经过一定压力的水压气压检验试验；

复合材料层选用高性能的碳纤维作为缠绕用的增强材料；

变形协调层选用环氧树脂胶膜，胶膜厚度的设定，依据其压力气瓶的大小确定，变形协调层的厚度为0.1-2.0mm。

碳纤维选用双酚A型的环氧树脂作为基体材料进行浸渍。

纤维缠绕复合材料层成型的具体操作为：

纤维缠绕复合材料层共由22层环向，16层纵向(经8个循环)连续缠绕而成，总厚度为10mm，在连续缠绕的纤维层之中，分别三次铺覆上述的变形协调层，将变形协调层夹设于连续缠绕的纤维层中，使其纤维与变形协调层所用的高分子胶膜完全浸透且固化成层；

在上述纤维缠绕前，先要将铝合金内衬表面进行化学处理，化学处理采用酸、碱溶液进行，主要作用是去除表面氧化层，提高粘接力；同时铺敷变形协调层，然后将纤维交替在变形协调层上进行环向和纵向连续缠绕，固化后，再铺敷第二层变形协调层，将纤维继续进行上述形式的缠绕，以此类推，重复上述变形协调层与纤维的组合；其循环缠绕的层数依据对该压力容器的厚度要求来确定。

上述的复合材料层具体成型工艺操作如下：

第一步：在铝合金内衬外表面铺敷一层采用环氧树脂组成的高分子胶膜，厚度为0.1mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维以环向和纵向的方式缠绕形成层状，其中，碳纤维缠绕为环向2层，纵向2层，再环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层后，缠绕停止，缠绕后的碳纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨；

第二步：二次铺敷环氧树脂组成的高分子胶膜层，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维以环向和纵向的方式缠绕形成层状，其中，碳纤维缠绕为环向2层，纵向2层，重复三次环向2层，纵向2层后，再环向缠绕2层后，缠绕停止，缠绕后的碳纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨；

第三步：再次铺敷环氧树脂组成的高分子胶膜层，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维以重复环向和纵向的方式缠绕形成层状，其层状为环向2层，纵向2层，重复三次环向2层，纵向2层后，再环向缠绕2层后，缠绕停止，缠绕后的碳纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨。

通过上述三步操作后，在复合材料气瓶内设的铝合金内衬外壁上形成了数层彼此关联的层状结构。气瓶的工作压力可以达到30MPa。依据GJB392-87《航空用玻璃纤维增强塑料压力容器》进行试验，容器的水压爆破压力可以达到70MPa以上，疲劳寿命可达10000次。

实施例二：

如图3所示，本发明的制备工艺为：

1)采用尼龙材料制造气瓶的内衬；

2)将浸渍树脂的纤维材料以纵、环向交替且连续缠绕至上述尼龙内衬上形成复合材料缠绕层；

3)根据所用树脂的特性决定其固化时间，检验成品。

在复合材料缠绕层制作过程中采用了分层固化的工艺，并且在层间加入了变形协调层。

尼龙内衬采用常规的成型方法制造，其内衬在成型后要经过一定压力的水压气压检验试验；

复合材料缠绕层选用的纤维材料为高性能的芳纶纤维；

芳纶纤维浸渍用的树脂选用乙烯基酯树脂；

变形协调层选用环氧树脂胶膜，其胶膜厚度为2.0mm。

纤维缠绕复合材料层成型的具体操作为：

用芳纶纤维缠绕，共缠绕环向16层，纵向10层(经5个循环缠绕)，总厚度为8mm，中间夹设二层变形协调层，该纤维层内分二次固化成型；在芳纶纤维缠绕前，先在内衬表面铺敷一层胶膜，然后交替进行环向和纵向缠绕，芳纶纤维完全浸透于环氧树脂胶膜层内且固化；再铺敷第二层胶膜，进行二次交替缠绕，其纤维缠绕的厚度依据压力容器厚度的要求来确定其纤维缠绕的循环次数。

纤维缠绕成型为复合材料层的具体操作步骤为：

第一步：在尼龙内衬表面铺敷一层用高分子胶膜成型的变形协调层，高分子胶膜采用环氧树脂，其厚度为2.0mm，将经过乙烯基酯树脂浸渍的芳纶纤维缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再环向2层后，缠绕暂停，缠绕后的芳纶纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨；

第二步：二次铺敷环氧树脂膜，其厚度为2.0mm，继续将经过乙烯基酯树脂浸渍的芳纶纤维缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再循环二次缠绕，最后再环向缠绕2层后，缠绕暂停，缠绕后的芳纶纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨；

第三步：再次铺敷环氧树脂膜，其厚度为2.0mm，继续将经过乙烯基酯树脂浸渍的芳纶纤维缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层，之后缠绕后的芳纶纤维完全浸透于环氧树脂层中，完全固化后，将其冷却至室温后打磨成型。

通过上述工艺，该复合材料气瓶，其尼龙内衬外表面上形成了数层彼此关联的层状结构。气瓶的工作压力可以达到30MPa。依据GJB392-87《航空用玻璃纤维增强塑料压力容器》进行试验，容器的水压爆破压力可以达到65MPa以上，疲劳寿命可达10000次。

本发明的工作原理：

纤维缠绕复合材料层呈现多层的各向异性结构。因此，最大限度的发挥复合材料各层的协同效应是制造高性能复合材料压力容器的关键，在复合材料层间加入变形协调层后，将提高层间的应力—应变传递效率，降低负面效应的影响。

同时，高性能复合材料(如，碳纤维复合材料)与金属内衬的电极电位存在一定的差异，如果压力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，还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，提高压力容器的整体性能。

本发明在实施过程中采用了分层固化的工艺，分层固化工艺是在内衬上先缠绕一定厚度的缠绕层，使其固化，冷却到室温后打磨再缠绕第二层。依次循环直至缠绕满足强度设计要求的层数为止。变形协调层是指在分层的间隙铺敷一种由环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯树脂形成的高分子胶膜成型的一种夹层结构。

Claims (9)

1.一种纤维缠绕复合材料压力容器，它包括内衬、纤维缠绕复合材料层及介质进出口，介质进出口与所述压力容器内外相连通；其特征在于：所述内衬与所述纤维缠绕复合材料层之间以及纤维缠绕复合材料层与层之间铺敷有由高分子胶膜层形成的变形协调层。

2.根据权利要求1所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：所述纤维缠绕复合材料层为多层。

3.根据权利要求1所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：所述高分子胶膜层为环氧树脂，其厚度为0.1-2.0mm。

4.根据权利要求1所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：所述内衬为球形、柱形或环形状。

5.根据权利要求1或2或4所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：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。

6.一种权利要求1-5任一项所述纤维缠绕复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：它包括如下步骤：1)用金属或非金属材料制造内衬；2)在步骤1)成型的内衬上铺敷高分子胶膜层；3)在步骤2)的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；4)分层固化。

7.根据权利要求6所述纤维缠绕复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：步骤3)所述的复合结构层中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2次制造而成；所述纤维缠绕复合材料层以连续缠绕方式构成。

8.根据权利要求7所述纤维缠绕复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：所述连续缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。

9.根据权利要求6所述纤维缠绕复合材料压力容器的制备方法，其特征在于：步骤4)所述分层固化的具体步骤为：步骤a)将纤维缠绕复合材料层缠绕至一定厚度；步骤b)在步骤a)形成的纤维缠绕复合材料层上铺敷一层高分子胶膜层，将表面覆着高分子胶膜层的纤维缠绕复合材料层冷却至室温，经打磨后固化；步骤c)在步骤b)固化的高分子胶膜层上依次循环所述制造步骤1)～步骤3)的成型步骤，形成所述分层固化。

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