CN1529083A

CN1529083A - 纤维缠绕复合材料压力容器及其制造方法

Info

Publication number: CN1529083A
Application number: CNA031347975A
Authority: CN
Inventors: 李新华; 薛忠民; 王浩; 肖文刚; 黄再满
Original assignee: Sinoma Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Sinoma Science & Technology Chengdu Co ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: CN1280573C

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。

所述高分子胶膜采用环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯树脂中一种。

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。

所述介质进出口至少设定一个。

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。

所述步骤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。

所述缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。

其特征在于：所述步骤4)分层固化的具体步骤为：1)先将纤维缠绕复合材料层缠绕至一定厚度；2)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；3)将步骤2)冷却至室温后，经过打磨后固化；4)依次循环其步骤1)～步骤3)的固化步骤，形成所述分层固化。

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、复合材料层和层间结构组成，层间结构采用高分子胶膜，使纤维缠绕复合材料层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，如果气瓶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协调层不仅可以避免这种情况的发生，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，如气瓶的整体性能。

3、采用在复合材料层间预埋变形协调层将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为复合材料层与变形协调层的层状结构示意图

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、复合结构层2、变形协调层3，复合结构层2由纤维缠绕复合材料层21与变形协调层22以多层交替重叠的方式形成，在压力容器一端设有一介质进出口4，介质进出口4将压力容器内外相连通。

如图2所示，压力容器内衬1由金属或非金属材料制作，金属材料选用铝合金、不锈钢、钛合金等；非金属材料选用尼龙、橡胶或者塑料等，压力容器的形状可以根据需要设定为柱形、球形、环形或其它回转体；在其外表面上铺覆有层问变形协调层，然后交替进行一定层数的环向和纵向缠绕，该缠绕层经过固化，再铺覆第二变形协调层，二次重复上述缠绕；以此类推，直至最外一层。

纤维缠绕复合材料层采用经双酚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，层间变形协调层选用高分子胶膜，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压力容器的内衬；

2) 将浸渍环氧树脂的碳纤维以纵、环向连续交替缠绕至上述铝合金内衬上；

3) 根据树脂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变形协调作用的结构层。

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增强材料；

纤维缠绕复合材料浸渍用的基体材料选用双酚A型环氧树脂；

层间变形协调层选用环氧树脂胶膜，胶膜厚度根据其压力气瓶的大小确定其厚度，层间变形协调层的厚度为0.1-2.0mm。

纤维缠绕复合材料层具体操作为：

纤维缠绕复合材料层共缠绕22层环向，16层纵向(经8个循环)，总厚度为10mm，分三次固化成型。缠绕前首先要将铝内衬表明进行化学处理，并及时铺敷一层胶膜，然后交替进行环向和纵向纤维连续缠绕，固化后，再铺敷第二层胶膜，进行的二次缠绕，以后根据压力容器的厚度要求确定其循环缠绕的层数。具体制造工艺顺序为：

第一步：在铝合金内衬表面铺敷一层高分子胶膜，厚为0.1mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向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，停置固化；将其冷却至室温后打磨；

第二步：铺敷高分子胶膜，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再环向2层，纵向2层，环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层后，停置固化；将其冷却至室温后打磨；

第三步：铺敷高分子胶膜，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再环向2层，纵向2层，环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层后，固化成型。

通过上述工艺，在复合材料气瓶的筒壁上形成了数层彼此关联的结构。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)采用尼龙材料制造压力容器的内衬；

2)将浸渍环氧树脂的碳纤维以纵、环向交替且连续缠绕至上述尼龙内衬上；

3)根据树脂的特性决定其固化时间，检验成品。

在复合材料缠绕制作过程中采用了分层固化的工艺，并且在层间加入了起层间变形协调作用的结构层。

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；

复合材料层选用高性能的芳纶纤维作为增强材料；

纤维缠绕复合材料浸渍用的基体材料选用乙烯基酯树脂；

层间变形协调层选用环氧树脂胶膜，胶膜厚度为0.2mm。

纤维缠绕复合材料层具体操作为：

纤维缠绕复合材料层共缠绕16层环向，10层纵向(经5个循环缠绕)，总厚度为8mm，分2次固化成型。总缠绕前首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，固化后，再铺敷第二层胶膜，进行的二次缠绕，根据压力容器厚度的要求确定其循环次数，。具体制造工艺顺序为：

第一步：在尼龙内衬表面铺敷一层高分子胶膜，厚为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再环向2层后，停置固化；将其冷却到室温后表面稍微打磨；

第二步：铺敷高分子胶膜，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，再环向2层，纵向2层，环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层后，停置固化；将其冷却到室温后表面稍微打磨；

第三步：铺敷高分子胶膜，其厚度为0.2mm，将经过双酚A型环氧树脂浸渍的碳纤维复合材料缠绕成层状，其层状为环向2层，纵向2层，最后再环向缠绕2层后，固化成型。

通过上述工艺，在复合材料气瓶的筒壁上形成了数层彼此关联的结构。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：

纤维缠绕复合材料外层的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起变形协调作用的结构层后，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协调层不仅可以避免这种情况的发生，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。变形协调层就是在分层的间隙铺敷一种特殊的高分子胶膜，形成一种夹层结构。

Claims

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：所述变形协调层为高分子胶膜层，其厚度为0.1-2.0mm。

4.根据权利要求3所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：所述高分子胶膜采用环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯树脂中一种。

5.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。

6.根据权利要求1或2或5所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：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。

7.一种权利要求1-6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。

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。

9.根据权利要求8所述纤维缠绕复合材料压力容器，其特征在于：所述缠绕方式为环向与纵向交替缠绕。

10.根据权利要求7所述纤维缠绕复合材料压力容器的制备方法，其特征在于：所述步骤4)分层固化的具体步骤为：1)先将纤维缠绕复合材料层缠绕至一定厚度；2)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；3)将步骤2)冷却至室温后，经过打磨后固化；4)依次循环其步骤1)～步骤3)的固化步骤，形成所述分层固化。