基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法技术

本发明专利技术为一种基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法。包括如下步骤：制备接头；制备内衬：将容器分为薄壁和厚壁容器，对于薄壁，内衬筒身段和封头段光滑连续设置；对于厚壁，内衬外表面的筒身段和封头接触处设有一个环形台阶；配置胶液；内衬和接头装配后纤维缠绕：对薄壁和厚壁容器选择不同的缠绕工艺；对于薄壁容器，筒身段靠近封头段的两侧采用阶梯环向缠绕；在封头段和已经缠绕环向层的筒身段外周采用螺旋式缠绕；对于厚壁容器，在筒身段采用环向缠绕方式，在封头段和筒身段外周采用螺旋方式缠绕；真空压缩；固化。本发明专利技术制得的压力容器具有气密性高、材料利用率高、强度分布均匀、重量轻、孔隙率低特点。孔隙率低特点。孔隙率低特点。

【技术实现步骤摘要】
基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法


[0001]本专利技术属于压力容器制造领域，具体涉及一种基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法。

技术介绍

[0002]在“双碳”目标指引下，氢能以其零碳排放、绿色可持续性等特点成为低碳能源体系的主力，现如今氢燃料汽车已被研究进行生产运行但因储氢储运安全问题未大规模使用。所以储氢容器作为氢燃料汽车的关键部件，成为各国研究的重点。
[0003]当前，国内氢能产业正处于上升期，尤其是Ⅳ型储氢压力容器研制与生产过程中关键技术问题。为获取高储氢密度的复合材料压力容器，并在保证储氢压力容器处于安全指标条件下，对Ⅳ型储氢压力容器的内衬结构设计优化以及复合材料层的缠绕工艺优化有进一步的提升，达到轻质高强气密性高的产品目标。现有缠绕铺层顺序工艺中一般采用环向
‑
螺旋交替缠绕，将环向层和螺旋层各自分层进行缠绕，其中各线形具体分层数量是由设计者以及缠绕经验自行规定的，这种排列组合是无限的。大部分压力容器的缠绕设计都是采用环向螺旋交替，其中采用交替缠绕时，交替次数越多会对压力容器增强层的受力产生削弱作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法，所述Ⅳ型复合材料压力容器包括两端的接头和由封头段和筒身段一体成型组成的容器主体，包括如下步骤：
[0006]步骤(1)：制备接头；
[0007]步骤(2)：制备内衬：以容器主体外内径比值K为临界点将容器分为薄壁容器和厚壁容器，对于薄壁容器，内衬筒身段和封头段光滑连续设置，即内衬的外表面的形状和薄壁压力容器形状相匹配，内衬内表面形状和压力容器形状相匹配；对于厚壁容器，内衬外表面的筒身段和封头接触处设有一个环形台阶，内衬内表面形状和压力容器形状相匹配，即筒身段的厚度比封头段的厚度小T
C
；
[0008]步骤(3)：配置胶液；
[0009]步骤(4)：纤维缠绕：将步骤(2)制备的内衬设置在缠绕机构上，并在内衬的两端装配步骤(1)制备的接头，对于薄壁和厚壁容器选择不同的缠绕工艺进行缠绕；
[0010]对于薄壁容器，首先，筒身段采用环向缠绕方式，且筒身段靠近封头段的两侧采用阶梯环向缠绕、使得在筒身段两侧形成一个从筒身到封头高度逐渐降低的过渡坡；其次，在封头段和已经缠绕环向层的筒身段外周采用螺旋式的缠绕方式缠绕碳纤维；在缠绕过程中，每缠绕一层均进行涂胶，形成增强层；
[0011]对于厚壁容器，首先，在筒身段采用环向缠绕方式直到环向缠绕层的厚度等于T
C
，
在封头段和筒身段环向缠绕层的外周采用螺旋方式进行缠绕，在缠绕过程中，每缠绕一层均进行涂胶，形成增强层；
[0012]缠绕完成后进行真空压缩；
[0013]步骤(5)：固化。
[0014]进一步的，步骤(1)采用模压成型工艺制备接头，接头的材质为尼龙碳纤维复合材料，接头内设有与氢气注入装置螺纹连接的内螺纹，接头位于增强层外的圆柱段设有与外部保护套螺纹连接的外螺纹。
[0015]进一步的，步骤(1)制备的接头位于内衬和增强层之间的法兰段环向宽度为压力容器半径的1/4～2/5，法兰段横截面两侧弧形段中间位置的切线的夹角即坡度为15
±5°
。
[0016]进一步的，步骤(2)中容器主体外内径比值K为1.2；
[0017]步骤(2)制备的内衬的材质为共混改性的超韧化尼龙PA6。
[0018]进一步的，步骤(4)中纤维缠绕时薄壁容器环向缠绕层的厚度也为T
C
，T
C
的计算方式如下：
[0019][0020]薄壁容器和厚壁容器的螺旋缠绕层的厚度为T
α
，T
α
的计算方式如下：
[0021][0022]式中，p为爆破压力；R筒身段半径；σ
f
为纤维发挥强度；k为应力平衡系数；α为螺旋缠绕平均角度，α通过式计算得出，其中r0为接头的极孔半径，r为任意纬度圆半径。
[0023]进一步的，步骤(3)配置胶液采用树脂和固化剂作为原材料，配置得到的胶液为低粘度树脂，即树脂的混合粘度范围为室温下1400
‑
1500mPa.s。
[0024]进一步的，步骤(4)“筒身段靠近封头段的两侧采用阶梯环向缠绕、使得在筒身段两侧形成一个从筒身到封头高度逐渐降低的过渡坡”中的阶梯环向缠绕具体为：
[0025]筒身段的环向缠绕层共N单层，每一单层的厚度即为碳纤维的直径，相邻单层水平方向的距离，即单层台阶的长度为T
C
/N～3T
C
/N。
[0026]进一步的，步骤(5)固化具体为：
[0027]缠绕结束后，在缠绕机构上旋转时间后将压力容器卸下，然后将压力容器在烘箱中进行升温固化；
[0028]升温固化的具体参数为：从室温按照升温速率25℃～30℃/h，升温至95
±
3℃，保温6
±
1h，固化完成后，自然降温，出炉；固化过程中保持复合材料压力容器旋转。
[0029]进一步的，步骤(4)中进行涂胶时，对于涂胶前后的胶液进行称重，缠绕时记录缠绕前后的纤维体积，计算压力容器中纤维体积含量。
[0030]一种Ⅳ型复合材料压力容器，采用上述的方法制备
[0031]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0032](1)本专利技术整体采用内层环向缠绕、外层螺旋缠绕的方式，并将压力容器区分为厚壁和薄壁，针对薄壁和厚壁分别合理设计内衬结构和缠绕工艺，使得筒身主体为环向缠绕
层，与传统技术中的环向螺旋交替缠绕相比，纤维缠绕工艺中环向
‑
螺旋线型交替次数越少，复合层的受力越小，容器周向能够承受更大的压力，承受的爆破压力能够提高到185
‑
200MPa，且本专利技术对于薄壁在筒身和封头过渡处采用阶梯缠绕的方式，对于厚壁采用降低筒身厚度即涉及凹槽的形式，避免了环向缠绕和螺旋缠绕临界处存在的应力集中等问题；本专利技术的内衬形状以及铺层顺序的独有设计为Ⅳ型复合材料压力容器制作提供了新路径；在保证承受相同工作压强条件下，减轻了压力容器整体质量。
[0033](2)本专利技术在现有技术的基础上，扩大接头与封头内衬之间的法兰过渡段的环向宽度，在原有尺寸的基础上扩大了30％左右，使得接头与容器本体之间的连接更稳定，提高强度、寿命，且本专利技术在现有技术的技术上，减小了法兰段的坡度，加强了法兰段的支撑作用。
[0034](3)本专利技术在缠绕结束后增加真空压缩，使复合层间的孔隙率大幅度降低。
附图说明
[0035]图1为本专利技术的压力容器和现有技术压力容器对比示意图。
[0036]图2为本专利技术薄壁压力容器筒身和过渡段示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纤维缠绕制备Ⅳ型复合材料压力容器的方法，所述Ⅳ型复合材料压力容器包括两端的接头和由封头段和筒身段一体成型组成的容器主体，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：制备接头；步骤(2)：制备内衬：以容器主体外内径比值K为临界点将容器分为薄壁容器和厚壁容器，对于薄壁容器，内衬筒身段和封头段光滑连续设置，即内衬的外表面的形状和薄壁压力容器形状相匹配，内衬内表面形状和压力容器形状相匹配；对于厚壁容器，内衬外表面的筒身段和封头接触处设有一个环形台阶，内衬内表面形状和压力容器形状相匹配，即筒身段的厚度比封头段的厚度小TC；步骤(3)：配置胶液；步骤(4)：纤维缠绕：将步骤(2)制备的内衬设置在缠绕机构上，并在内衬的两端装配步骤(1)制备的接头，对于薄壁和厚壁容器选择不同的缠绕工艺进行缠绕；对于薄壁容器，首先，筒身段采用环向缠绕方式，且筒身段靠近封头段的两侧采用阶梯环向缠绕、使得在筒身段两侧形成一个从筒身到封头高度逐渐降低的过渡坡；其次，在封头段和已经缠绕环向层的筒身段外周采用螺旋式的缠绕方式缠绕碳纤维；在缠绕过程中，每缠绕一层均进行涂胶，形成增强层；对于厚壁容器，首先，在筒身段采用环向缠绕方式直到环向缠绕层的厚度等于T
C
，在封头段和筒身段环向缠绕层的外周采用螺旋方式进行缠绕，在缠绕过程中，每缠绕一层均进行涂胶，形成增强层；缠绕完成后进行真空压缩；步骤(5)：固化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用模压成型工艺制备接头，接头的材质为尼龙碳纤维复合材料，接头内设有与氢气注入装置螺纹连接的内螺纹，接头位于增强层外的圆柱段设有与外部保护套螺纹连接的外螺纹。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)制备的接头位于内衬和增强层之间的法兰段环向宽度为压力容器半径的1/4～2/5，法兰段横截面两侧弧形段中间位置的切线的夹角即坡度为15
±5°
。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中容器主体外内径比值K为1.2；步骤(2)制...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯君，陈杨，宋梅利，张楠，卢思怡，高帅，李佳，陈滨，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：