智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法，涉及新型复合材料耐压容器领域。所述智能化二维碳纤维复合材料包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段的中间或外表面位置设置有均匀分布的第一传感器；所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段的中间或外表面位置设置有均匀分布的第二传感器；所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段的中间或外表面位置设置有第三传感器。本发明专利技术能有效监控复合材料耐压结构状态，实现对复合材料耐压气瓶的寿命预测和工况条件跟踪。

【技术实现步骤摘要】
智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法
本专利技术涉及新型复合材料耐压容器领域，特别是指一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法。
技术介绍
碳纤维复合材料耐压气瓶具有重量轻、耐腐蚀、刚性好、耐压稳定性高、可设计性强等综合优势，在介质存储、交通运输等领域有着广泛的应用。目前的复合材料耐压气瓶容器的制作主要是利用高性能碳纤维浸渍树脂后，通过二维缠绕制备纤维预制体结构，其厚度方向主要是二维纤维排布结构，再通过热固化成型制备复合材料。传统的复合材料气瓶的受压条件要求严苛，要求复合材料气瓶的不同组成结构均要承受工况条件要求的压强，同时保证有一定的使用寿命。在复合材料纤维缠绕过程中要达到结构对耐压工况条件的预测较为不现实，这也是目前复合材料耐压气瓶应用过程中质量不稳定的一个重要因素。
技术实现思路
本专利技术提供一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法，该耐压气瓶能有效监控复合材料耐压结构状态，实现对复合材料耐压气瓶的寿命预测和工况条件跟踪。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段设置有均匀分布的第一传感器，所述第一传感器埋入所述筒身段的中间或外表面位置；所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段设置有均匀分布的第二传感器，所述第二传感器埋入所述封头段的中间或外表面位置；所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段设置有第三传感器，所述第三传感器埋入所述连接段的中间或外表面位置。进一步的，所述第一传感器和第二传感器为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，所述第三传感器为光纤或应变片中的一种或两种组合，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器的数量为一个或多个。进一步的，所述二维螺旋缠绕层由主体纤维和辅助纤维组成；所述筒身段的外径尺寸为5～30cm，所述筒身段的厚度为5～40mm，所述筒身段的长度为0.5～3m；所述封头段的高度为10～40cm，所述封头段厚度为5～40mm；所述连接段的长度为20～40cm。一种上述任一的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的制备方法，包括以下步骤：(1)筒身段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备二维碳纤维缠绕层的同时，在二维螺旋缠绕层的厚度的中间或外表面位置埋入第一传感器，得到耐压气瓶的筒身段；(2)封头段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备该二维螺旋缠绕层的同时，在该二维螺旋缠绕层的中间或外表面位置埋入第二传感器，得到耐压气瓶的封头段；(3)连接段的制备：采用二维编织工艺对筒身段的螺旋缠绕层边缘和封头段的螺旋缠绕层边缘的叠层结构进行连接，叠层之间通过纵向缝合形成整体；在纵向缝合的同时，将第三传感器与纤维混杂引入缝合结构中，得到预制体浸胶复合结构；(4)预浸纤维预制体结构的固化成型：将步骤(3)制备所得预制体浸胶复合结构置于固化炉中加热固化，将固化后的产品脱模和二次处理成型。进一步的，所述步骤(1)中，所述筒身段的二维螺旋缠绕层的主体纤维的使用量在80％以上，所述主体纤维为碳纤维，辅助纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维中的一种或几种组合。进一步的，所述步骤(2)中，所述封头段的二维螺旋缠绕层的主体纤维的使用量在80％以上，所述主体纤维为碳纤维，所述辅助纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维和玄武岩纤维中的一种或几种组合。进一步的，所述步骤(1)和步骤(2)中，所述复合树脂的含胶量在20～50％之间，所述复合树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨树脂、聚乙烯树脂等热塑性或热固性树脂中的一种或几种组合且不局限于以上几种类型。进一步的，所述步骤(1)和步骤(2)中，所述螺旋缠绕工艺沿着筒身段或封头段的轴线为轮廓进行，所述筒身段和封头段的螺旋缠绕层的厚度为5～10cm，该二维螺旋缠绕层的缠绕角度为5～90°。进一步的，所述步骤(3)中，所述纵向缝合的纱线包括碳纤维和其他纤维，所述其他纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维的一种或多种组合，其中碳纤维与其它纤维的比例为5:1～10:1。进一步的，所述步骤(4)中，固化温度为120～140℃，固化时间为1～3h，也可根据树脂类型及固化性质灵活调整。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术中，耐压气瓶采用碳纤维及其他复合材料混杂组成二维缠绕结构，具有重量轻、耐腐蚀、刚性好、耐压稳定性高、可设计性强等综合优点；在耐压气瓶的缠绕结构的不同厚度位置埋入一组或多组应变传感器，在复杂压力条件下，耐压气瓶的应变传感器感应耐压气瓶不同位置的微小变化，从而预测高压气瓶的承压状态，进而预知使用状态和寿命，对承压极限状态进行提前预警，有效提高碳纤维复合材料耐压气瓶的使用寿命和服役稳定性。附图说明图1为本专利技术的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的整体结构示意图；其中，1：筒身段；2：封头段；3：连接段；4：第一传感器；5：第二传感器；6：第三传感器。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。一方面，本专利技术提供一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，如图1所示，包括，筒身段1、封头段2和连接筒身段1和封头段2的连接段3，其中：筒身段1为二维螺旋缠绕层，筒身段1设置有均匀分布的第一传感器4，第一传感器4埋入筒身段1的中间或外表面位置；封头段2也为二维螺旋缠绕层，封头段2设置有均匀分布的第二传感器5，第二传感器5埋入封头段2的中间或外表面位置；连接段3通过纵向缝合的二维编织叠层结构将筒身段1和封头段2连接，连接段3设置有第三传感器6，第三传感器6埋入连接段3的中间或外表面位置。本专利技术中，耐压气瓶采用碳纤维及其他复合材料混杂组成二维缠绕结构，具有重量轻、耐腐蚀、刚性好、耐压稳定性高、可设计性强等综合优点；在耐压气瓶的缠绕结构的不同厚度位置埋入一组或多组应变传感器，在复杂压力条件下，耐压气瓶的应变传感器感应耐压气瓶不同位置的微小变化，从而预测高压气瓶的承压状态，进而预知使用状态和寿命，对承压极限状态进行提前预警，有效提高碳纤维复合材料耐压气瓶的使用寿命和服役稳定性。优选的，第一传感器4和第二传感器5为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，第三传感器6为光纤或应变片中的一种或两种组合，第一传感器4、第二传感器5和第三传感器6的数量可根据耐压气瓶的使用要求灵活调整，为一个或多个。进一步的，二维螺旋缠绕层由主体纤维和辅助纤维组成；筒身段1的外径可根据耐压气瓶的尺寸灵活调整，优选为5～30cm，筒身段1的厚度为5～40mm，筒身段1的长度为0.5～3m；封头段2的高度为10～40cm，封头段2厚度为5～40mm；连接段3的长度为20～40cm。合适的耐压气瓶尺寸能更好的发挥其功能。另一方面，本专利技术还提供一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的制备方法，包括筒身段的制备、封头段的制备、连接段的制备以及预浸纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，其特征在于，包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段设置有均匀分布的第一传感器，所述第一传感器埋入所述筒身段的中间或外表面位置；所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段设置有均匀分布的第二传感器，所述第二传感器埋入所述封头段的中间或外表面位置；所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段设置有第三传感器，所述第三传感器埋入所述连接段的中间或外表面位置。

【技术特征摘要】
1.一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，其特征在于，包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段设置有均匀分布的第一传感器，所述第一传感器埋入所述筒身段的中间或外表面位置；所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段设置有均匀分布的第二传感器，所述第二传感器埋入所述封头段的中间或外表面位置；所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段设置有第三传感器，所述第三传感器埋入所述连接段的中间或外表面位置。2.根据权利要求1所述的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，所述第三传感器为光纤或应变片中的一种或两种组合，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器的数量为一个或多个。3.根据权利要求2所述的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，其特征在于，所述二维螺旋缠绕层由主体纤维和辅助纤维组成；所述筒身段的外径尺寸为5～30cm，所述筒身段的厚度为5～40mm，所述筒身段的长度为0.5～3m；所述封头段的高度为10～40cm，所述封头段厚度为5～40mm；所述连接段的长度为20～40cm。4.权利要求1-3任一所述的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)筒身段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备二维碳纤维缠绕层的同时，在二维螺旋缠绕层的厚度的中间或外表面位置埋入第一传感器，得到耐压气瓶的筒身段；(2)封头段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备该二维螺旋缠绕层的同时，在该二维螺旋缠绕层的中间或外表面位置埋入第二传感器，得到耐压气瓶的封头段；(3)连接段的制备：采用二维编织工艺对筒身段的螺旋缠绕层边缘和封头...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，于宽，曹伟伟，王永伟，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37