CN217875281U - 一种碳纤维增强储氢瓶 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳纤维增强储氢瓶，包括内胆以及设置于内胆表面的碳纤维缠绕增强层，碳纤维缠绕增强层包括筒体缠绕部和封头缠绕部，筒体缠绕部包括由内至外交替设置的筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层，封头缠绕部包括由内至外交替设置的封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层。该碳纤维增强储氢瓶的封头缠绕部采用交替的纵向缠绕和螺旋缠绕，发挥碳纤维增强体的优异力学性能，利于提高碳纤维抗拉强度的转化率，提高储氢瓶的承压能力，提高储氢瓶使用过程中的安全性；基于相同的内胆和承压能力，提高储氢瓶的生产效率，减小缠绕碳纤维的使用量和储氢瓶自重，降低生产成本。

Description

一种碳纤维增强储氢瓶

技术领域

本实用新型涉及机械装备制造技术领域，具体涉及一种碳纤维增强储氢瓶。

背景技术

对氢能源燃料电池汽车而言，高压储氢气瓶已经成为制约其发展的关键装置。根据车载储氢气瓶轻量化瓶体、高密度储氢、长寿命设计的总体要求，对储氢气瓶的承压能力和瓶体结构提出越来越高的要求。储氢瓶的基本结构为内胆以及缠绕于内胆外且通过树脂固化成一体结构的纤维层。

CN209558017U公开了一种碳纤维全缠绕增强铝内衬储氢瓶，包括无缝薄壁铝内衬，铺层缠绕在无缝薄壁铝内衬上的碳纤维增强树脂层和铺层缠绕在碳纤维增强树脂层上的玻璃纤维抗冲击层，其特征在于的碳纤维增强树脂层包括交替铺层的环向缠绕层和纵向缠绕层，环向缠绕层仅缠绕在无缝薄壁铝内衬的筒体部位，纵向缠绕层缠绕整个无缝薄壁铝内衬外周，即纵向缠绕层缠绕于筒体和封头表面。以上缠绕结构的碳纤维在封头处堆积，储氢瓶受力分析表明通常封头不是应力最高的危险区域，因此封头处的碳纤维抗拉强度的转化率低。另外，筒体部位环向缠绕层和纵向缠绕层的角度选择和层间搭配对储氢瓶的缠绕生产效率、碳纤维使用量、瓶体承压影响明显。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种碳纤维增强储氢瓶，减少封头处的碳纤维堆积，储氢瓶承压能力良好。

为了实现上述技术效果，本实用新型的技术方案为：一种碳纤维增强储氢瓶，包括内胆以及设置于内胆表面的碳纤维缠绕增强层，所述碳纤维缠绕增强层包括筒体缠绕部和封头缠绕部，所述筒体缠绕部包括由内至外交替设置的筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层，所述封头缠绕部包括由内至外交替设置的封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层。

优选的技术方案为，所述筒体纵向缠绕层和/或封头纵向缠绕层包括至少两层层叠的第一单元纵向层，相邻两层所述第一单元缠绕层的缠绕角为+N°和-N°，10＜N＜25。具体的，筒体纵向缠绕层和封头纵向缠绕层的相邻两层第一单元缠绕层缠绕角表述中N取值可以相同，也可以不同，优选为相同。进一步的，11＜N＜20；更进一步的，14＜N＜16；再更进一步的，N=15。

优选的技术方案为，所述筒体环向缠绕层和/或封头螺旋缠绕层包括至少两层层叠的第二单元纵向层，相邻两层所述第二单元缠绕层的缠绕角为+M°和-M°，78＜M＜87。具体的，筒体环向缠绕层和封头螺旋缠绕层的相邻两层第二单元缠绕层缠绕角表述中M取值可以相同，也可以不同，优选为相同。进一步的，80＜M＜86；更进一步的，83＜M＜86；再更进一步的，M=85。

优选的技术方案为，所述碳纤维缠绕增强层的厚度为3.4～4mm；进一步的，碳纤维缠绕增强层的厚度为3.5～3.9mm，更进一步的，厚度为3.6～3.8mm。

优选的技术方案为，所述筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层的总层数为4～7层，和/或所述封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层的总层数为4～7层。更进一步的，筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层的总层数为5～7层；和/或所述封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层的总层数为5～7层；更进一步的，以上总层数均为6层。以单元缠绕层的层数计，碳纤维缠绕增强层中第一单元缠绕层和第二单元缠绕层的层数为10～14层，优选为12层。

优选的技术方案为，所述碳纤维缠绕增强层表面设置有玻纤环向缠绕保护层。

优选的技术方案为，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的数量相等。

优选的技术方案为，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力为100～200N。

优选的技术方案为，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力按照相应的筒体纵向缠绕层、筒体环向缠绕层、封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层由内至外逐层递减。

优选的技术方案为，所述玻纤环向缠绕保护层的缠绕应力为80～95N。

本实用新型的优点和有益效果在于：

该碳纤维增强储氢瓶的封头缠绕部采用交替的纵向缠绕和螺旋缠绕，发挥碳纤维增强体的优异力学性能，利于提高碳纤维抗拉强度的转化率，提高储氢瓶的承压能力，提高储氢瓶使用过程中的安全性；

基于相同的内胆和承压能力，提高储氢瓶的生产效率，减小缠绕碳纤维的使用量和储氢瓶自重，降低生产成本。

附图说明

图1是实施例碳纤维增强储氢瓶的结构示意图；

图2是实施例中内胆、筒体缠绕部和玻纤环向缠绕保护层的局部放大图；

图3是实施例中内胆、封头缠绕部和玻纤环向缠绕保护层的局部放大图；

图中：1、内胆；2、碳纤维缠绕增强层；21、筒体缠绕部；211、筒体纵向缠绕层；212、筒体环向缠绕层；22、封头缠绕部；221、封头纵向缠绕层；222、封头螺旋缠绕层；3、玻纤环向缠绕保护层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-3所示，实施例碳纤维增强储氢瓶包括内胆1以及设置于内胆1表面的碳纤维缠绕增强层2，碳纤维缠绕增强层2包括筒体缠绕部21和封头缠绕部22，筒体缠绕部21包括由内至外交替设置的筒体纵向缠绕层211和筒体环向缠绕层212，封头缠绕部22包括由内至外交替设置的封头纵向缠绕层221和封头螺旋缠绕层222。

内胆1的材质通常为金属，金属内胆1的作用在于防止氢气泄漏，其表面包括筒体和封头两部分，瓶嘴设置于一封头。筒体缠绕部21覆盖于内胆1的筒体表面，封头缠绕部22覆盖于内胆1的封头表面；碳纤维缠绕层起主要的承载作用。内胆1长度为700mm，直径为450±30mm，铝合金材质。筒体缠绕部21和封头缠绕部22均采用湿法缠绕，热固化。

在如上实施例中，每一层筒体纵向缠绕层211和封头纵向缠绕层221均包括两层层叠的第一单元纵向层，纵向缠绕采用8mm集束宽度的碳纤维；相邻两层第一单元缠绕层的缠绕角为+15°和-15°；每一层筒体环向缠绕层212和/或封头螺旋缠绕层222均包括两层层叠的第二单元纵向层，环向缠绕和螺旋缠绕均采用8mm集束宽度的碳纤维；相邻两层第二单元缠绕层的缠绕角为+85°和-85°。

如图2-3所示，在如上实施例中，筒体纵向缠绕层211和筒体环向缠绕层212的总层数为6层，封头纵向缠绕层221和封头螺旋缠绕层222的总层数为6层。

缠绕纤维原料包括树脂胶液和碳纤维，具体选择如下：

碳纤维所用树脂胶液的主要组成为环氧树脂、固化剂、消泡剂、增韧剂和促进剂，以消泡剂、增韧剂和促进剂均属添加剂计，主成分环氧树脂、固化剂和添加剂的质量之比为100：（50±5）：（25±5）；在23℃±3℃温度条件下，树脂胶液的起始粘度为0.31Pa·s~0.35Pa·s之间，8小时后的粘度为1.5Pa·s~3.5Pa·s之间。

碳纤维集束采用东丽高强中模T800CS-12K碳纤维，碳纤维出厂力学性能指标为拉伸强度5760MPa，拉伸模量305GPa~340GPa。

碳纤维缠绕增强层2的缠绕工艺包括以下步骤：

S1内胆1预处理：铝合金内胆1外表面进行除油处理，然后，除油表面刷涂粘结层，粘结层厚度控制在0.5mm以下；

S2缠绕：铝合金内胆1装卡在缠绕机上，东丽800SC-6K碳纤维4个纱团装入纱架；通过浸胶槽（槽内注树脂胶液）拉纱，缠绕时边拉纱边通过刮板器调整树脂胶液含量（25%~30%，基于胶液温度30℃±5℃）。铝合金内胆1上筒体采用环向85°缠绕和小角度15°纵向缠绕相结合的方式；封头采用小角度15°纵向缠绕叠加螺旋缠绕的方式；

筒体由内至外缠绕顺序和线型角度表达式为：[/+15°/-15°/+85°/-85°/-15°/+15°/-85°/+85°/-15°/+15°/-85°/+85°]；封头由内至外缠绕顺序和线型角度表达式为：[+15°/-15°/+85°/-85°/-15°/+15°/-85°/+85°/-15°/+15°/-85°/+85°]，如以上表达式所示，第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的数量相等；

第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力为100～200N。第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力按照相应的筒体纵向缠绕层211、筒体环向缠绕层212、封头纵向缠绕层221和封头螺旋缠绕层222由内至外逐层递减，即在上述筒体、封头缠绕顺序和线型角度表达式中，每两层缠绕应力递减20N，即按照200N、180N、160N、140N、120N、100N的点值顺序进行缠绕应力递减；

在此步骤中，为了防止铝合金内衬在缠绕张力的作用下发生失稳，缠绕纤维的同时对内衬实行加压，压力保持0.2MPa；

S3加热固化：将缠绕成型的碳纤维增强铝合金内胆1储氢瓶吊挂在固化箱的旋转装置上，采用高温固化工艺，具体温控过程为：升温速率1.5±0.5℃/min升温至65±5℃，保温60分钟；再以1±0.2℃/min的升温速率升高到120±5℃，保温180分钟；然后再自然冷却到室温，即完成固化。

固化后碳纤维缠绕增强层2测得的厚度在3.6mm~3.8mm范围内。

在一改进的实施例中，碳纤维缠绕增强层2表面设置有玻纤环向缠绕保护层3。具体的，筒体和封头均采用大角度螺旋式缠绕方式，缠绕线型为[+85°/-85°/+85°/-85°/+85°/-85°/+85°]，张力控制为80N。固化后测得玻纤环向缠绕保护层3的厚度为1.0mm。玻纤环向缠绕保护层玻纤集束的缠绕应力为80N。

在另一改进的实施例中，碳纤维缠绕增强层2和玻纤环向缠绕保护层3固化后，于压力容器外表面涂覆上一层防护层，抛光，静压测试合格后成品检测。

储气瓶强度通过ABAQUS有限元软件进行模拟验证，建立储气瓶三维模型，模拟储气瓶实际工作状态，分析对应状态下的应力。包括以上碳纤维缠绕增强层2、玻纤环向缠绕保护层3和防护层的储气瓶工作压力达到35MPa；检测储气瓶结构应用中的实际强度，计算碳纤维拉伸强度的转化效率可达85%。

基于与以上实施例相同的树脂胶液、碳纤维集束、玻纤集束，满足工作压力不小于30MPa的替代方案中，筒体由内至外缠绕顺序和线型角度表达式还可以为：[/+15°/-13°/+85°/-82°/-13°/+15°/-82°/+85°/-15°/+13°/-85°/+82°]、[/+13°/-13°/+83°/-83°/-13°/+13°/-83°/+83°/-13°/+13°/-83°/+83°]；封头由内至外缠绕顺序和线型角度表达式还可以为：[+13°/-15°/+81°/-84°/-13°/+15°/-81°/+84°/-13°/+15°/-84°/+81°]、[+14°/-16°/+86°/-83°/-16°/+14°/-83°/+86°/-14°/+16°/-86°/+83°]。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强储氢瓶，包括内胆以及设置于内胆表面的碳纤维缠绕增强层，所述碳纤维缠绕增强层包括筒体缠绕部和封头缠绕部，所述筒体缠绕部包括由内至外交替设置的筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层，其特征在于，所述封头缠绕部包括由内至外交替设置的封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述筒体纵向缠绕层和/或封头纵向缠绕层包括至少两层层叠的第一单元纵向层，相邻两层所述第一单元缠绕层的缠绕角为+N°和-N°，10＜N＜25。

3.根据权利要求2所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述筒体环向缠绕层和/或封头螺旋缠绕层包括至少两层层叠的第二单元纵向层，相邻两层所述第二单元缠绕层的缠绕角为+M°和-M°，78＜M＜87。

4.根据权利要求1所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕增强层的厚度为3.4～4mm。

5.根据权利要求1所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述筒体纵向缠绕层和筒体环向缠绕层的总层数为4～7层，和/或所述封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层的总层数为4～7层。

6.根据权利要求1所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕增强层表面设置有玻纤环向缠绕保护层。

7.根据权利要求3所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的数量相等。

8.根据权利要求3所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力为100～200N。

9.根据权利要求8所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述第一单元缠绕层与第二单元缠绕层的缠绕应力按照相应的筒体纵向缠绕层、筒体环向缠绕层、封头纵向缠绕层和封头螺旋缠绕层由内至外逐层递减。

10.根据权利要求6所述的碳纤维增强储氢瓶，其特征在于，所述玻纤环向缠绕保护层的缠绕应力为80～95N。

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