一种复合材料气瓶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料气瓶及其制备方法，属于复合材料成型及测试技术领域。现有的复合材料气瓶补强方法浪费严重且设备投资成本高、工艺复杂，针对上述问题，本发明专利技术提供一种复合材料气瓶及其制备方法：铸造砂型模，在砂型模上缠绕纤维，旋转固化；裁切冲洗脱模，安装封头，缠绕纤维增强层，再进行旋转固化。本发明专利技术工艺简单，同时提高了复合材料气瓶的安全性能，节省材料，降低成本。降低成本。降低成本。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料气瓶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种复合材料气瓶及其制备方法，属于复合材料成型


技术介绍

[0002]复合材料气瓶在航空航天和新能源汽车领域内运用越来越广泛，主要作为储能设备使用。对于复合材料气瓶而言，保证其爆破压力和爆破模式是第一要素，这是气瓶安全性能的表征，爆破压力就是气瓶爆破时的最终压力，爆破模式就是气瓶爆破的位置，一般要求气瓶爆破在筒身位置，以保证气瓶爆破之后依然是一个整体，防止有高速飞溅物质对周围造成伤害。气瓶的强度通过纤维缠绕成型的外部复合材料层提供，一般该复合材料采用碳纤维制作而成，有两种缠绕方式，一种是环向缠绕，主要提供气瓶环向强度，一种是螺旋缠绕，主要提供气瓶在轴向的强度，同时也会承载少部分的环向载荷。
[0003]由于环向缠绕只能缠绕气瓶的直筒段，所以为了补强气瓶封头的强度采用螺旋缠绕方式，但在纤维连续全缠绕工艺下，需要对气瓶整体进行纤维螺旋缠绕，而爆破的压力主要取决于环向爆破压力，使得复合材料气瓶的直筒段的螺旋向纤维的利用效率低，往往需要缠绕较厚的纤维层，造成原材料的浪费，成本的升高。为了提升螺旋方向纤维发挥强度，国外采用机器人自动铺丝技术，且在干法缠绕工艺上实现，设备投资成本高，技术难度大、原材料成本高。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于克服现有技术不足，提供一种复合材料气瓶及其制备方法，在保证爆破安全的前提下增加封头的强度、减少碳纤维用量、降低成本。
[0005]一种复合材料气瓶，包括内胆，复合材料气瓶整体缠绕纤维增强层，纤维增强层与内胆的封头之间设有封头补强件。封头补强件可以增强封头处的强度，使得气瓶在爆破时金属边缘处不发生破坏，破坏集中在筒身段，使得复合材料气瓶爆破数据稳定，安全性能稳定。
[0006]作为优选，封头补强件是由纤维以螺旋缠绕方式单独成型的，其形状与封头相适配并套在封头上。以螺旋缠绕方式缠绕封头补强件，增加了封头径向和环向的的强度。
[0007]作为优选，纤维增强层的缠绕方式为螺旋缠绕与环向缠绕交替。螺旋缠绕与环向缠绕交替，相较于单纯的螺旋缠绕方式，增加了气瓶内胆直筒段的径向强度，提高了纤维的利用效率。
[0008]作为优选，封头补强件由碳纤维或玻璃纤维制成，厚度为3mm至5mm。
[0009]作为优选，纤维增强层由碳纤维或玻璃纤维制成，厚度为27mm至32mm。
[0010]一种复合材料气瓶的制备方法，采用以下步骤实现：
[0011]步骤1，制作封头补强件，
[0012]S1.1铸造砂型模，砂型模的封头部分与内胆的封头部分尺寸一致，砂型模的直筒段长度小于内胆的直筒段长度；
[0013]S1.2，缠绕纤维，采用螺旋缠绕的方式将纤维缠绕到砂型模上；
[0014]S1.3，旋转固化，固化砂型模上的纤维层，优化固化制度，使固化时树脂不完全固化，依然具有环氧官能团供后续分层固化使用；
[0015]S1.4，裁切冲洗脱模，将固化后的制件沿垂直于砂型模主轴的方向裁切开，用高压水枪冲洗砂型模残留物，留下复合材料封头补强件。
[0016]步骤2，安装封头，将封头补强件套在气瓶内胆上，由于砂型模的封头与内胆的封头尺寸一致，可以完全匹配，对封头补强件的边缘部分进行倒角处理，用液态树脂填充空隙部分，确保封头补强件与内胆的封头完全贴合。
[0017]步骤3，缠绕纤维增强层，先对封头补强件边缘部分进行倒角处理，用液态树脂填充空隙部分，再对已经安装封头补强件的内胆外部缠绕纤维增强层。
[0018]步骤4，整体固化，将封头补强件与纤维增强层一同固化。
[0019]作为优选，步骤1铸造砂型模的步骤为：
[0020]S1.11，将铸造型砂与粘结剂混合，并进行充分搅拌，铸造型砂采用化学硬化砂，粘合剂采用合成树脂或水玻璃。化学硬化砂的强度高，铸型能够准确地反映模样的尺寸和轮廓形状，在以后的工艺中也不容易变形，制得的铸件尺寸精度较高，用水玻璃作粘结剂的化学硬化砂成本低、使用中工作环境无气味，用树脂作粘结剂的化学硬化砂成本较高,但浇注以后铸件易于和型砂分离,铸件清理的工作量减少，而且用过的大部分砂子可再生回收使用。
[0021]S1.12，塑成砂型模。
[0022]S1.13，加工螺纹，待砂型模形状固定后，采用车床，加工两端螺纹至与缠绕机的转接轴配合。
[0023]作为优选，步骤S1.2中的纤维以及步骤3中的纤维增强层采用碳纤维或玻璃纤维，步骤S1.2与步骤3使用的缠绕方法为湿法缠绕。碳纤维有优良的纤度和高拉力性能，还有耐高温、耐腐蚀等一系列优良性能，玻璃纤维价格便宜、拉伸强度高。
[0024]作为优选，步骤S1.2的螺旋缠绕的角度为30至50度，缠绕张力为单束纤维20N至35N，缠绕厚度为3mm至5mm。张力过小会使得纤维的强度偏低，容器的疲劳性能差，张力过大会使得纤维的磨损大，使制品强度下降，本专利技术采用的单束纤维20N至35N为适中、均匀的张力大小。
[0025]作为优选，步骤3的缠绕方式为螺旋缠绕和环向缠绕交替，缠绕厚度为 27mm至32mm。
[0026]作为优选，步骤S1.3的固化温度为120℃
±
10℃，固化时间为2至3小时。由于封头补强件的缠绕厚度为3mm至5mm，用的树脂量少，可以不进行排泡处理，直接固化成型。
[0027]作为优选，步骤4固化制度为：(1)将温度升至80℃
±
5℃，对树脂进行排气泡处理，固化时间为4至6小时；(2)将温度升至120℃
±
10℃，进行分层固化。
[0028]有益效果：
[0029]1.在气瓶封头处增设封头补强件，增强了封头处的径向及环向的强度，使得气瓶在爆破时金属边缘处不发生破坏，破坏集中在筒身段，使得复合材料气瓶爆破数据稳定，安全性能稳定。
[0030]2.相较于传统的纤维连续全缠绕方式，采用先补强封头，再整体缠绕的方法，在保
证爆破安全的前提下增强了气瓶封头的强度；利用螺旋缠绕和环向缠绕交替的缠绕方式整体缠绕，相较于单纯的螺旋全缠绕方式，提高了瓶身直筒段的径向强度，同时节省了纤维材料，避免了浪费、减少了成本；
[0031]3.采用分层固化工艺，降低了固化的温度，减小因放热导致的质量损害，增强了树脂的强度，同时减少了树脂的变形情况；
[0032]4.采用湿法缠绕的工艺，相较于干法缠绕工艺减少了预浸渍设备的投入，并且便于选材，更易实现；
[0033]5.采用旋转固化工艺，便于树脂流动，多余树脂沿样件边界留下，方便控制树脂含量，避免干法缠绕工艺中，树脂在线激光固化，降低了成本。
附图说明
[0034]图1为本专利技术的一个实施例中的复合材料气瓶结构示意图；
[0035]图2为本专利技术的一个实施例中的复合材料气瓶制备方法步骤S1.1示意图；
[0036]图3为本专利技术的一个实施例中的复合材料气瓶制备方法步骤S1.2示意图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料气瓶，包括内胆，其特征在于：所述复合材料气瓶整体缠绕纤维增强层，所述纤维增强层与所述内胆的封头之间设有封头补强件。2.根据权利要求1所述的一种复合材料气瓶，其特征在于：所述封头补强件是由纤维以螺旋缠绕方式单独成型的，其形状与所述封头相适配并套在所述封头上。3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料气瓶，其特征在于：所述纤维增强层的缠绕方式为螺旋缠绕与环向缠绕交替。4.一种复合材料气瓶的制备方法，其特征在于：采用以下步骤实现：步骤1，制作封头补强件，S1.1铸造砂型模，砂型模的封头部分与内胆的封头部分尺寸一致，砂型模的直筒段长度小于内胆的直筒段长度；S1.2，缠绕纤维，将纤维缠绕到砂型模上；S1.3，旋转固化，固化砂型模上的纤维层；S1.4，裁切冲洗脱模，将固化后的制件沿垂直于砂型模主轴的方向裁切开，冲洗砂型模残留物，留下复合材料封头补强件；步骤2，安装封头，将封头补强件套在气瓶内胆上；步骤3，缠绕纤维增强层，先对封头补强件边缘部分进行倒角处理，用液态树脂填充空隙部分，再对已经安装封头补强件的内胆外部缠绕纤维增强层；步骤4，整体固化，将封头补强件与纤维增强层一同固化。5.根据权利要求4所述的一种复合材料气瓶的制备方法，其特征在于所述步骤1铸造砂型模的步骤为：S1.11，将铸造型砂与粘结剂混合，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡正云，陈明和，谢兰生，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：