智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶及其制備方法，涉及新型復合材料耐壓容器領域。所述智能化二維碳纖維復合材料包括筒身段、封頭段和連接筒身段和封頭段的連接段，其中：所述筒身段為二維螺旋纏繞層，所述筒身段的中間或外表面位置設置有均勻分布的第一傳感器；所述封頭段也為二維螺旋纏繞層，所述封頭段的中間或外表面位置設置有均勻分布的第二傳感器；所述連接段通過縱向縫合的二維編織疊層結構將所述筒身段和封頭段連接，所述連接段的中間或外表面位置設置有第三傳感器。本發明專利技術能有效監控復合材料耐壓結構狀態，實現對復合材料耐壓氣瓶的壽命預測和工況條件跟蹤。

【技術實現步驟摘要】
智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶及其制備方法
本專利技術涉及新型復合材料耐壓容器領域，特別是指一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶及其制備方法。
技術介紹
碳纖維復合材料耐壓氣瓶具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩定性高、可設計性強等綜合優勢，在介質存儲、交通運輸等領域有著廣泛的應用。目前的復合材料耐壓氣瓶容器的制作主要是利用高性能碳纖維浸漬樹脂后，通過二維纏繞制備纖維預制體結構，其厚度方向主要是二維纖維排布結構，再通過熱固化成型制備復合材料。傳統的復合材料氣瓶的受壓條件要求嚴苛，要求復合材料氣瓶的不同組成結構均要承受工況條件要求的壓強，同時保證有一定的使用壽命。在復合材料纖維纏繞過程中要達到結構對耐壓工況條件的預測較為不現實，這也是目前復合材料耐壓氣瓶應用過程中質量不穩定的一個重要因素。
技術實現思路
本專利技術提供一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶及其制備方法，該耐壓氣瓶能有效監控復合材料耐壓結構狀態，實現對復合材料耐壓氣瓶的壽命預測和工況條件跟蹤。為解決上述技術問題，本專利技術提供技術方案如下：一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，包括筒身段、封頭段和連接筒身段和封頭段的連接段，其中：所述筒身段為二維螺旋纏繞層，所述筒身段設置有均勻分布的第一傳感器，所述第一傳感器埋入所述筒身段的中間或外表面位置；所述封頭段也為二維螺旋纏繞層，所述封頭段設置有均勻分布的第二傳感器，所述第二傳感器埋入所述封頭段的中間或外表面位置；所述連接段通過縱向縫合的二維編織疊層結構將所述筒身段和封頭段連接，所述連接段設置有第三傳感器，所述第三傳感器埋入所述連接段的中間或外表面位置。進一步的，所述第一傳感器和第二傳感器為光纖、光柵、磁柵、應變片中的一種或幾種組合，所述第三傳感器為光纖或應變片中的一種或兩種組合，所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器的數量為一個或多個。進一步的，所述二維螺旋纏繞層由主體纖維和輔助纖維組成；所述筒身段的外徑尺寸為5～30cm，所述筒身段的厚度為5～40mm，所述筒身段的長度為0.5～3m；所述封頭段的高度為10～40cm，所述封頭段厚度為5～40mm；所述連接段的長度為20～40cm。一種上述任一的智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶的制備方法，包括以下步驟：(1)筒身段的制備：將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復合樹脂，主體纖維和輔助纖維按一定比例、一定纏繞角度在芯模基體上采用螺旋纏繞工藝制備二維螺旋纏繞層；制備二維碳纖維纏繞層的同時，在二維螺旋纏繞層的厚度的中間或外表面位置埋入第一傳感器，得到耐壓氣瓶的筒身段；(2)封頭段的制備：將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復合樹脂，主體纖維和輔助纖維按一定比例、一定纏繞角度在芯模基體上采用螺旋纏繞工藝制備二維螺旋纏繞層；制備該二維螺旋纏繞層的同時，在該二維螺旋纏繞層的中間或外表面位置埋入第二傳感器，得到耐壓氣瓶的封頭段；(3)連接段的制備：采用二維編織工藝對筒身段的螺旋纏繞層邊緣和封頭段的螺旋纏繞層邊緣的疊層結構進行連接，疊層之間通過縱向縫合形成整體；在縱向縫合的同時，將第三傳感器與纖維混雜引入縫合結構中，得到預制體浸膠復合結構；(4)預浸纖維預制體結構的固化成型：將步驟(3)制備所得預制體浸膠復合結構置于固化爐中加熱固化，將固化后的產品脫模和二次處理成型。進一步的，所述步驟(1)中，所述筒身段的二維螺旋纏繞層的主體纖維的使用量在80％以上，所述主體纖維為碳纖維，輔助纖維為碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、玄武巖纖維中的一種或幾種組合。進一步的，所述步驟(2)中，所述封頭段的二維螺旋纏繞層的主體纖維的使用量在80％以上，所述主體纖維為碳纖維，所述輔助纖維為芳綸纖維、UHMWPE纖維和玄武巖纖維中的一種或幾種組合。進一步的，所述步驟(1)和步驟(2)中，所述復合樹脂的含膠量在20～50％之間，所述復合樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨樹脂、聚乙烯樹脂等熱塑性或熱固性樹脂中的一種或幾種組合且不局限于以上幾種類型。進一步的，所述步驟(1)和步驟(2)中，所述螺旋纏繞工藝沿著筒身段或封頭段的軸線為輪廓進行，所述筒身段和封頭段的螺旋纏繞層的厚度為5～10cm，該二維螺旋纏繞層的纏繞角度為5～90°。進一步的，所述步驟(3)中，所述縱向縫合的紗線包括碳纖維和其他纖維，所述其他纖維為芳綸纖維、UHMWPE纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維的一種或多種組合，其中碳纖維與其它纖維的比例為5:1～10:1。進一步的，所述步驟(4)中，固化溫度為120～140℃，固化時間為1～3h，也可根據樹脂類型及固化性質靈活調整。本專利技術具有以下有益效果：本專利技術中，耐壓氣瓶采用碳纖維及其他復合材料混雜組成二維纏繞結構，具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩定性高、可設計性強等綜合優點；在耐壓氣瓶的纏繞結構的不同厚度位置埋入一組或多組應變傳感器，在復雜壓力條件下，耐壓氣瓶的應變傳感器感應耐壓氣瓶不同位置的微小變化，從而預測高壓氣瓶的承壓狀態，進而預知使用狀態和壽命，對承壓極限狀態進行提前預警，有效提高碳纖維復合材料耐壓氣瓶的使用壽命和服役穩定性。附圖說明圖1為本專利技術的智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶的整體結構示意圖；其中，1：筒身段；2：封頭段；3：連接段；4：第一傳感器；5：第二傳感器；6：第三傳感器。具體實施方式為使本專利技術要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。一方面，本專利技術提供一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，如圖1所示，包括，筒身段1、封頭段2和連接筒身段1和封頭段2的連接段3，其中：筒身段1為二維螺旋纏繞層，筒身段1設置有均勻分布的第一傳感器4，第一傳感器4埋入筒身段1的中間或外表面位置；封頭段2也為二維螺旋纏繞層，封頭段2設置有均勻分布的第二傳感器5，第二傳感器5埋入封頭段2的中間或外表面位置；連接段3通過縱向縫合的二維編織疊層結構將筒身段1和封頭段2連接，連接段3設置有第三傳感器6，第三傳感器6埋入連接段3的中間或外表面位置。本專利技術中，耐壓氣瓶采用碳纖維及其他復合材料混雜組成二維纏繞結構，具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩定性高、可設計性強等綜合優點；在耐壓氣瓶的纏繞結構的不同厚度位置埋入一組或多組應變傳感器，在復雜壓力條件下，耐壓氣瓶的應變傳感器感應耐壓氣瓶不同位置的微小變化，從而預測高壓氣瓶的承壓狀態，進而預知使用狀態和壽命，對承壓極限狀態進行提前預警，有效提高碳纖維復合材料耐壓氣瓶的使用壽命和服役穩定性。優選的，第一傳感器4和第二傳感器5為光纖、光柵、磁柵、應變片中的一種或幾種組合，第三傳感器6為光纖或應變片中的一種或兩種組合，第一傳感器4、第二傳感器5和第三傳感器6的數量可根據耐壓氣瓶的使用要求靈活調整，為一個或多個。進一步的，二維螺旋纏繞層由主體纖維和輔助纖維組成；筒身段1的外徑可根據耐壓氣瓶的尺寸靈活調整，優選為5～30cm，筒身段1的厚度為5～40mm，筒身段1的長度為0.5～3m；封頭段2的高度為10～40cm，封頭段2厚度為5～40mm；連接段3的長度為20～40cm。合適的耐壓氣瓶尺寸能更好的發揮其功能。另一方面，本專利技術還提供一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶的制備方法，包括筒身段的制備、封頭段的制備、連接段的制備以及預浸纖維本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，包括筒身段、封頭段和連接筒身段和封頭段的連接段，其中：所述筒身段為二維螺旋纏繞層，所述筒身段設置有均勻分布的第一傳感器，所述第一傳感器埋入所述筒身段的中間或外表面位置；所述封頭段也為二維螺旋纏繞層，所述封頭段設置有均勻分布的第二傳感器，所述第二傳感器埋入所述封頭段的中間或外表面位置；所述連接段通過縱向縫合的二維編織疊層結構將所述筒身段和封頭段連接，所述連接段設置有第三傳感器，所述第三傳感器埋入所述連接段的中間或外表面位置。

【技術特征摘要】
1.一種智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，包括筒身段、封頭段和連接筒身段和封頭段的連接段，其中：所述筒身段為二維螺旋纏繞層，所述筒身段設置有均勻分布的第一傳感器，所述第一傳感器埋入所述筒身段的中間或外表面位置；所述封頭段也為二維螺旋纏繞層，所述封頭段設置有均勻分布的第二傳感器，所述第二傳感器埋入所述封頭段的中間或外表面位置；所述連接段通過縱向縫合的二維編織疊層結構將所述筒身段和封頭段連接，所述連接段設置有第三傳感器，所述第三傳感器埋入所述連接段的中間或外表面位置。2.根據權利要求1所述的智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，所述第一傳感器和第二傳感器為光纖、光柵、磁柵、應變片中的一種或幾種組合，所述第三傳感器為光纖或應變片中的一種或兩種組合，所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器的數量為一個或多個。3.根據權利要求2所述的智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，所述二維螺旋纏繞層由主體纖維和輔助纖維組成；所述筒身段的外徑尺寸為5～30cm，所述筒身段的厚度為5～40mm，所述筒身段的長度為0.5～3m；所述封頭段的高度為10～40cm，所述封頭段厚度為5～40mm；所述連接段的長度為20～40cm。4.權利要求1-3任一所述的智能化二維碳纖維復合材料耐壓氣瓶的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)筒身段的制備：將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復合樹脂，主體纖維和輔助纖維按一定比例、一定纏繞角度在芯模基體上采用螺旋纏繞工藝制備二維螺旋纏繞層；制備二維碳纖維纏繞層的同時，在二維螺旋纏繞層的厚度的中間或外表面位置埋入第一傳感器，得到耐壓氣瓶的筒身段；(2)封頭段的制備：將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復合樹脂，主體纖維和輔助纖維按一定比例、一定纏繞角度在芯模基體上采用螺旋纏繞工藝制備二維螺旋纏繞層；制備該二維螺旋纏繞層的同時，在該二維螺旋纏繞層的中間或外表面位置埋入第二傳感器，得到耐壓氣瓶的封頭段；(3)連接段的制備：采用二維編織工藝對筒身段的螺旋纏繞層邊緣和封頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱波，于寬，曹偉偉，王永偉，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：山東,37