智能監控三維復合材料耐壓氣瓶制造技術

本實用新型專利技術公開了一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，涉及新型復合材料耐壓容器領域。所述智能監控三維復合材料耐壓氣瓶包括金屬內膽層、塑形界面層、表面三維編織復合材料層和介質出入口，其中：金屬內膽層為整體無縫結構；塑形界面層位于金屬內膽層和表面三維編織復合材料層的中間，設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置其厚度中間位置；表面三維編織復合材料層位于耐壓氣瓶最外表面，包括筒身段和封頭段，也設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在其厚度中間或表面位置。本實用新型專利技術的耐壓氣瓶既消除了二維復合材料層間力學薄弱點，又可實時監控耐壓氣瓶使用過程中不同部位的微小形變量，預測耐壓氣瓶的使用壽命和危險報警。

Intelligent monitoring three-dimensional composite material pressure resistant gas cylinder

The utility model discloses an intelligent monitoring three-dimensional composite material pressure resistant gas cylinder, which relates to the field of a novel composite material pressure vessel. The intelligent monitoring of three-dimensional composite pressure cylinder comprises a metal inner layer, interface layer, surface shaping of three-dimensional braided composite material layer and medium entrance, wherein the metal liner layer for seamless structure; the middle layer is a metal liner shaped interface layer and the surface of three-dimensional braided composite material layer, is provided with a strain sensing device, the strain the thickness sensing device is arranged on the middle position; the surface of three-dimensional braided composite material layer on the outer surface of the pressure cylinder, comprising a cylinder body and head section is also provided with a strain sensing device, the strain sensing device is arranged in the middle of the thickness or surface position. The utility model is a pressure cylinder not only eliminates the two-dimensional between layers of composite material mechanics and the weak point of micro deformation in different parts of the real-time monitoring of pressure cylinder in the process of using, life prediction and risk alarm pressure cylinders.

【技術實現步驟摘要】
智能監控三維復合材料耐壓氣瓶
本技術涉及新型復合材料耐壓容器領域，特別是指一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶。
技術介紹
與傳統的壓力容器及介質儲罐相比，復合材料材質的耐壓容器重量輕、剛性好、耐腐蝕、對外力沖擊的抵抗能力較強，而且可以根據工況條件的要求進行外型的靈活設計，以復合材料為材質的耐壓容器已經廣泛替代金屬耐壓容器應用與船舶、汽車、醫療衛生、化工等各個行業中。目前的復合材料壓力容器主要采用纖維二維纏繞工藝制備，這種環向纏繞的復合材料纖維增強結構具有較強的抵抗內壓的優點，而且耐壓容器的內部往往嵌入金屬密封內膽，通過金屬與復合材料材質的混合使用可以在密封性和高強度二者之間找到綜合特性發揮的最佳工藝技術結合點。但是從二維纏繞的復合材料材質的應用來看，層間的力學性能弱點逐漸凸顯，在應用過程中的泄漏或者承壓條件下的破壞主要都是在層間產生，因此改變目前環向纏繞的二維纖維結構已經非常必要。從目前的應用來看，三維編織結構的復合材料耐壓氣瓶的穩定性和力學特性的發揮直接提高了其使用壽命和耐壓級別，具有非常巨大的應用潛力，但是隨著應用要求的不斷能提高和應用領域的不斷擴大，要發揮這種三維編織結構耐壓氣瓶的使用穩定性和質量均一性，必須對不同復雜工況條件下和使用過程中的耐壓氣瓶的承壓狀態以及氣瓶復合材料結構的應變特性實時進行監控，因此就需要對三維復合材料結構的耐壓氣瓶結構進行功能特性的改性和提升，以達到有效監控耐壓狀態，進而達到預測使用壽命或者危險報警的目的。
技術實現思路
本技術提供一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，該耐壓氣瓶既消除了二維復合材料層間力學薄弱點，又可實時監控耐壓氣瓶使用過程中不同部位的微小形變量，預測耐壓氣瓶的使用壽命和危險報警。為解決上述技術問題，本技術提供技術方案如下：一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，包括金屬內膽層、塑形界面層、表面三維編織復合材料層和位于氣瓶一端的介質出入口，其中：所述金屬內膽層為整體無縫結構；所述塑形界面層位于所述金屬內膽層和表面三維編織復合材料層的中間，所述塑形界面層為纖維增強熱塑性樹脂基體復合材料，所述塑形界面層設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在塑形界面層的厚度中間位置；所述表面三維編織復合材料層位于所述耐壓氣瓶最外表面，所述表面三維編織復合材料層包括筒身段和封頭段，所述表面三維編織復合材料層也設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在所述表面三維編織復合材料層的厚度中間或表面位置。進一步的，所述金屬內膽層的材質為不銹鋼、鋁合金、鈦合金中的一種，所述金屬內膽層的外表面設置有螺紋狀溝槽，所述螺紋狀溝槽的深度為1～3mm，所述應變感應裝置為光纖、光柵、磁柵、應變片中的一種或幾種組合，所述應變感應裝置的數量為一個或多個。進一步的，金屬內膽的形狀及厚度根據工況條件和耐壓級別要求可靈活調整，金屬內膽層的厚度為2～6mm，所述筒身段長度為0.5～3m，所述筒身段厚度為5～10mm，所述封頭段長度為0.5～2m，所述封頭段厚度為5～10mm。進一步的，所述塑形界面層的纖維增強熱塑性樹脂基體復合材料中樹脂含量為20～50％，該樹脂基體中的樹脂為聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂、聚醚醚酮、聚甲醛、聚丙烯和聚苯硫醚中的一種。本技術具有以下有益效果：本技術中，使用了三維編織排布結構，在二維編織技術的基礎上增加了層間的纖維貫穿強化，使纖維結構在壓力氣瓶的厚度面上具有立體結構，通過縫合在層間的增強纖維有效提高了氣瓶厚度方向上的復合材料結構整體性，消除層間力學薄弱點，同時，在三維編織結構中引入應變感應裝置，可實時監控耐壓氣瓶在使用過程中的不同部位的微小形變量，以達到預測使用壽命和危險報警的目的。附圖說明圖1為本技術的智能監控三維復合材料耐壓氣瓶的整體結構示意圖；其中，1：金屬內膽層；2：塑形界面層；3：表面三維編織復合材料層；4：介質出入口；5：應變感應裝置。具體實施方式為使本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，本技術提供一智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，如圖1所示，包括金屬內膽層1、塑形界面層2、表面三維編織復合材料層3和位于氣瓶一端的介質出入口4，其中：金屬內膽層1為整體無縫結構；塑形界面層2位于金屬內膽層1和表面三維編織復合材料層3的中間，用以保證兩種材質之間的膨脹變形引起界面脫粘，塑形界面層2為纖維增強熱塑性樹脂基體復合材料，塑形界面層2的厚度可根據工況條件和要求的耐壓級別進行靈活調整，塑形界面層2設置有應變感應裝置5，該應變感應裝置5設置在塑形界面層2的厚度中間位置；表面三維編織復合材料層3位于耐壓氣瓶最外表面，表面三維編織復合材料層3包括筒身段和封頭段，表面三維編織復合材料層3也設置有應變感應裝置5，該應變感應裝置5設置在表面三維編織復合材料層3的厚度中間或表面位置。本技術中，使用了三維編織排布結構，在二維編織技術的基礎上增加了層間的纖維貫穿強化，使纖維結構在壓力氣瓶的厚度面上具有立體結構，通過縫合在層間的增強纖維有效提高了氣瓶厚度方向上的復合材料結構整體性，消除層間力學薄弱點，同時，在三維編織結構中引入應變感應裝置，可實時監控耐壓氣瓶在使用過程中的不同部位的微小形變量，以達到預測使用壽命和危險報警的目的。優選的，金屬內膽層1的材質為不銹鋼、鋁合金、鈦合金中的一種，金屬內膽層1的外表面設置有螺紋狀溝槽(未示出)，螺紋狀溝槽的深度為1～3mm，應變感應裝置5為光纖、光柵、磁柵、應變片中的一種或幾種組合，應變感應裝置5的數量為一個或多個。螺紋狀溝槽有利于增加界面強度，應變感應裝置可根據實際情況適當選擇其種類。進一步的，金屬內膽的形狀及厚度根據工況條件和耐壓級別要求可靈活調整，金屬內膽層1的厚度為2～6mm，所述筒身段長度為0.5～3m，所述筒身段厚度為5～10mm，所述封頭段長度為0.5～2m，所述封頭段厚度為5～10mm。另一方面，本技術還提供一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶的制備方法，包括金屬內膽的制備、塑形界面層的制備及應變感應裝置的預埋、表面三維編織復合材料層的加工及應變感應裝置的引入以及熱固化成型和后處理。金屬內膽的制備中，金屬內膽以不銹鋼、鋁合金、鈦合金中的一種金屬材質沖壓成型，然后在金屬內膽外表面制備深度為1～3mm的螺紋狀溝槽。塑形界面層的制備及應變感應裝置的預埋中，將纖維和樹脂基體進行混合，通過機械攪拌混合均勻；采用注射成型工藝加工塑形界面層，將金屬內膽層固定在模具中，同時，將應變感應裝置固定在模具型腔的特定位置，通過注射成型將混合均勻的纖維樹脂熔融體注射至模腔中，冷卻成型并脫模；其中，纖維長度為10～50mm，纖維包括主體纖維和輔助纖維，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、玄武巖纖維和玻璃纖維中的一種，主體纖維和輔助纖維的重量比為4∶1～10∶1，塑形界面層的樹脂基體中樹脂含量為20～50％，該樹脂基體中的樹脂為聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂、聚醚醚酮、聚甲醛、聚丙烯和聚苯硫醚中的一種，應變感應裝置在塑形界面層的引入形式以應變片為主，也可選用光纖、光柵、磁柵，同步埋入其厚度中間位置，應變片數量沿著耐壓容器的外輪廓均勻分布，沿截面環向均勻分布。表面三維編織復本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，包括金屬內膽層、塑形界面層、表面三維編織復合材料層和位于氣瓶一端的介質出入口，其中；所述金屬內膽層為整體無縫結構；所述塑形界面層位于所述金屬內膽層和表面三維編織復合材料層的中間，所述塑形界面層為纖維增強熱塑性樹脂基體復合材料，所述塑形界面層設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在塑形界面層的厚度中間位置；所述表面三維編織復合材料層位于所述耐壓氣瓶最外表面，所述表面三維編織復合材料層包括筒身段和封頭段，所述表面三維編織復合材料層也設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在所述表面三維編織復合材料層的厚度中間或表面位置。

【技術特征摘要】
1.一種智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，包括金屬內膽層、塑形界面層、表面三維編織復合材料層和位于氣瓶一端的介質出入口，其中；所述金屬內膽層為整體無縫結構；所述塑形界面層位于所述金屬內膽層和表面三維編織復合材料層的中間，所述塑形界面層為纖維增強熱塑性樹脂基體復合材料，所述塑形界面層設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在塑形界面層的厚度中間位置；所述表面三維編織復合材料層位于所述耐壓氣瓶最外表面，所述表面三維編織復合材料層包括筒身段和封頭段，所述表面三維編織復合材料層也設置有應變感應裝置，該應變感應裝置設置在所述表面三維編織復合材料層的厚度中間或表面位置。2.根據權利要求1所述的智能監控三維復合材料耐壓氣瓶，其特征在于，所述金屬內膽層的材...

【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：新型
國別省市：山東,37