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CN106838601A - 智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法 - Google Patents

智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法 Download PDF

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CN106838601A CN201611139365.8A CN201611139365A CN106838601A CN 106838601 A CN106838601 A CN 106838601A CN 201611139365 A CN201611139365 A CN 201611139365A CN 106838601 A CN106838601 A CN 106838601A
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Abstract

本发明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。

Description

智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明提供技术方案如下：
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。
本发明具有以下有益效果：
本发明中，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为本发明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
为使本发明要解决的技术问题、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，本发明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。
本发明中，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，本发明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预制体结构的固化成型。
筒身段的制备中，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；优选的，二维螺旋缠绕层的主体纤维的使用量在80％以上，主纤维为碳纤维，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；其复合树脂的含胶量在20～50％之间，该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；螺旋缠绕工艺沿着筒身段的轴线轮廓进行，螺旋缠绕层的厚度为5～10cm，其缠绕角度为5～90°。
封头段的制备中，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；其中，封头段的二维螺旋缠绕层的主纤维的使用量在80％以上，主纤维为碳纤维，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；其复合树脂的含胶量在20～50％之间，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；螺旋缠绕工艺沿着封头段的轴线轮廓进行，螺旋缠绕层的厚度为5～10cm，其缠绕角度为5～90°；第二传感器可选用光纤，可与封头段纤维混杂进行同步缠绕预埋，光栅、磁栅或应变片在特定纤维缠绕位置嵌入即可。
连接段的制备中，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；其中，纵向缝合的纱线包括碳纤维和其他纤维，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，碳纤维与其它纤维的比例为5:1～10:1；第三传感器可选用光纤或应变片，可与连接段所用纤维混杂并引入层间缝合结构中，在光纤使用的同时也可将应变片嵌入缝合结构的中间厚度位置或连接位置的外表面。
预浸纤维预制体结构的固化成型中，将上述制备的预制体浸胶复合结构置于固化炉中加热固化，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，将固化后的产品脱模和二次处理成型。
以下实施例进一步说明本工艺的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本发明范围的限制。
实施例1：
一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)筒身段的制备：采用T700碳纤维与碳化硅纤维混杂制备筒身段的二维螺旋缠绕层，T700碳纤维与碳化硅纤维的重量比为5:1，在混杂纤维缠绕之前同步浸渍环氧树脂，含胶量控制在40％，螺旋缠绕角度为20°，最终制备的筒身段的外径为10cm，筒身段的厚度为1cm，筒身段的长度为1m，在筒身段采用光纤并入上述混杂纤维中进行同步缠绕；
(2)封头段的制备：采用T300碳纤维与芳纶纤维以重量比4:1混杂，采用环氧树脂浸渍混杂纤维，含胶量控制在30％，螺旋缠绕角度为30°，最终封头段的高度为25cm，封头段的厚度为1cm，在封头段采用光纤并入上述混杂纤维进行同步缠绕；
(3)连接段的制备：采用T700碳纤维与UHMWPE纤维混杂，采用二维编织加层间缝合技术进行连接，连接段的长度为30cm，T700碳纤维与UHMWPE纤维的混杂比例为5:1，选用光纤引入上述混杂纤维的缝合结构中，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)得到预制体浸胶复合结构置于固化炉中进行加热固化，固化温度为120℃，固化时间为2h，将最终固化的产品脱模和二次处理成型。
实施例2：
一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)筒身段的制备：采用T700碳纤维与氧化铝纤维混杂制备筒身段的二维螺旋缠绕层，T700碳纤维与氧化铝纤维的重量比为4:1，在混杂纤维缠绕之前同步浸渍酚醛树脂，含胶量控制在20％，螺旋缠绕角度为20°，最终制备的筒身段的外径为10cm，筒身段的厚度为2cm，筒身段的长度为1m，在筒身段采用光纤并入上述混杂纤维中进行同步缠绕；
(2)封头段的制备：采用T700碳纤维与玄武岩维以重量比4:1混杂，采用不饱和聚酯树脂浸渍混杂纤维，含胶量控制在25％，螺旋缠绕角度为20°，最终封头段的高度为20cm，封头段的厚度为2cm，在封头段采用光纤并入上述混杂纤维进行同步缠绕；
(3)连接段的制备：采用T700碳纤维与玻璃纤维混杂，采用二维编织加层间缝合技术进行连接，连接段的长度为32cm，T700碳纤维与玻璃纤维的混杂比例为6:1，选用光纤引入上述混杂纤维的缝合结构中，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)得到预制体浸胶复合结构置于固化炉中进行加热固化，固化温度为140℃，固化时间为1h，将最终固化的产品脱模和二次处理成型。
实施例3：
一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)筒身段的制备：采用T300碳纤维与氮化硼纤维混杂制备筒身段的二维螺旋缠绕层，T300碳纤维与氮化硼纤维的重量比为6:1，在混杂纤维缠绕之前同步浸渍聚氨酯树脂，含胶量控制在30％，螺旋缠绕角度为30°，最终制备的筒身段的外径为10cm，筒身段的厚度为2cm，筒身段的长度为1m，在筒身段的二维螺旋缠绕层的厚度中间位置，沿着长度方向每隔20cm埋入应变片传感器，应变片传感器沿着截面圆以60°为间隔均匀分布；
(2)封头段的制备：采用T700碳纤维与芳纶纤维以重量比4:1混杂，采用环氧树脂浸渍混杂纤维，含胶量控制在30％，螺旋缠绕角度为40°，最终封头段的高度为25cm，封头段的厚度为2cm，在封头段厚度的中间位置，沿着外轮廓埋入应变片传感器，预埋的应变片传感器沿着截面圆以60°为间隔均匀分布；
(3)连接段的制备：采用T700碳纤维与玄武岩纤维混杂，采用二维编织加层间缝合技术进行连接，连接段的长度为33cm，T700碳纤维与玄武岩纤维的混杂比例为7:1，选用光纤引入上述混杂纤维的缝合结构中，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)得到预制体浸胶复合结构置于固化炉中进行加热固化，固化温度为120℃，固化时间为3h，将最终固化的产品脱模和二次处理成型。
实施例4：
一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)筒身段的制备：采用T800碳纤维与玄武岩纤维混杂制备筒身段的二维螺旋缠绕层，T800碳纤维与玄武岩纤维的重量比为5:1，在混杂纤维缠绕之前同步浸渍环氧树脂，含胶量控制在35％，螺旋缠绕角度为45°，最终制备的筒身段的外径为15cm，筒身段的厚度为3cm，筒身段的长度为2m，在筒身段采用光纤并入上述混杂纤维中进行同步缠绕；
(2)封头段的制备：采用T700碳纤维与芳纶纤维以重量比5:1混杂，采用环氧树脂浸渍混杂纤维，含胶量控制在40％，螺旋缠绕角度为40°，最终封头段的高度为25cm，封头段的厚度为3cm，在封头段采用光纤并入上述混杂纤维进行同步缠绕；
(3)连接段的制备：采用T700碳纤维与UHMWPE纤维混杂，采用二维编织加层间缝合技术进行连接，连接段的长度为30cm，T700碳纤维与UHMWPE纤维的混杂比例为5:1，选用光纤引入上述混杂纤维的缝合结构中，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)得到预制体浸胶复合结构置于固化炉中进行加热固化，固化温度为120℃，固化时间为2h，将最终固化的产品脱模和二次处理成型。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

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。
5.根据权利要求4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，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。
6.根据权利要求4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，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。
7.根据权利要求4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，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。
8.根据权利要求4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，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°。
9.根据权利要求4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，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。
10.根据权利要求4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，所述步骤(4)中，固化温度为120～140℃，固化时间为1～3h。
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