[發(fā)明專利]具有增強(qiáng)內(nèi)襯的復(fù)合材料壓力容器及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201980035201.6
• 申請日: 2019-06-26
• 公開（公告）號: CN112166282B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 格特·諾文;菲利普·威廉姆斯;阿克塞爾·塞弗特
• 申請（專利權(quán)）人: 全耐塑料高級創(chuàng)新研究公司
• 主分類號: F17C1/06
• 分類號: F17C1/06
• 代理公司: 北京漢鼎理利專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11618
• 代理人: 趙晶;陶梅

本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料壓力容器(1)，其包括：(a)包括內(nèi)襯(2p)的主體(2b)，所述內(nèi)襯包括沿著縱軸X1延伸的圓柱形部分，并由熱塑性聚合物材料制成；和(b)包裹在所述主體(2b)上的由連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱固性基質(zhì)復(fù)合材料制成的外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(3c)，其包括增強(qiáng)纖維(11)和熱固性基質(zhì)(13)，其特征在于，所述主體(2b)還包括由連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料制成的熱塑性增強(qiáng)層(2c)，該熱塑性增強(qiáng)層包括增強(qiáng)纖維(11)和熱塑性基質(zhì)(12)，并粘合到所述內(nèi)襯的圓柱形部分。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及包括由未增強(qiáng)聚合物制成并形成內(nèi)部空腔的內(nèi)襯的類型的復(fù)合材料壓力容器，該內(nèi)襯封閉在纖維增強(qiáng)聚合物殼體中，該復(fù)合材料壓力容器常用作壓縮天然氣(CNG)儲(chǔ)罐、壓縮氫氣(CHG)儲(chǔ)罐、液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐和類似器件。特別地，本發(fā)明的復(fù)合材料壓力容器特別能夠抵抗當(dāng)內(nèi)部空腔中的壓強(qiáng)突然下降時(shí)內(nèi)襯從復(fù)合材料殼體的分離(這樣的現(xiàn)象也稱作“屈曲”，英文buckling)。

背景技術(shù)

用于存儲(chǔ)處于高壓的流體的復(fù)合材料壓力容器由于其相對于金屬壓力容器重量輕而是有利的，特別是在容器可動(dòng)的情況下，例如運(yùn)輸(機(jī)動(dòng)車輛、航天、鐵道，和類似)領(lǐng)域中的用于存儲(chǔ)作為燃料的壓縮流體的壓力容器。復(fù)合材料壓力容器通常包括由(未增強(qiáng))熱塑性聚合物(例如PA或HDPE)制成的內(nèi)襯。內(nèi)襯限定內(nèi)部空腔，一般包括沿著縱軸X1延伸的大致圓柱形的部分，其任一側(cè)都有封閉內(nèi)部空腔的圓頂狀蓋。設(shè)置有至少一個(gè)配備有相應(yīng)連接件的開口，用于將加壓流體注入或提取出內(nèi)部空腔。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)硬度并使其能夠抵抗當(dāng)壓力容器充裝有加壓流體時(shí)內(nèi)部空腔內(nèi)的高壓，內(nèi)襯封閉在形成外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板中。例如在WO2018007367中說明了一個(gè)復(fù)合材料壓力容器的例子。

外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)提供復(fù)合材料壓力容器為了能夠承受內(nèi)部空腔中的高壓所要求的強(qiáng)度和硬度。如圖1(a)所示，為了提供所期望的機(jī)械特性，外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括按照特定模式布置的連續(xù)增強(qiáng)纖維，其一般包括：

按環(huán)箍方向布置、即以相對于縱軸X1的80至100°的角度布置的纖維部分3h；和

按螺旋方向布置、即以相對于縱軸X1的10至70°的角度布置的纖維部分3x。

增強(qiáng)纖維嵌在熱固性基質(zhì)中以形成連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料。

外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可通過不同的技術(shù)包裹在內(nèi)襯上，包括以下方法。外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可通過絲線纏繞(FW)或條帶纏繞(TW)(在本說明書中統(tǒng)稱為“絲線纏繞”，包括絲線和條帶纏繞兩者)，通過纏繞浸漬有液態(tài)熱固性樹脂的增強(qiáng)纖維絲束或條帶來施加，以在聚合物基質(zhì)固化時(shí)形成纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的外部殼體。如在現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的，纏繞角度可以非常準(zhǔn)確地控制，纖維絲束或條帶部分按環(huán)箍方向布置，其它纖維部分螺旋地布置。

可替代地，可通過注入技術(shù)、例如樹脂傳遞模塑(RTM)或真空注入工藝(VIP)將編織的預(yù)成型件用液態(tài)熱固性樹浸漬脂，并成型或插入在內(nèi)襯上。該技術(shù)具有比絲線纏繞更快速的優(yōu)點(diǎn)，但編織纖維的卷曲或起伏不利于最終復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。

無論用于制造復(fù)合材料壓力容器的技術(shù)是什么，在突然損失壓力容器內(nèi)的壓強(qiáng)的情況下已經(jīng)觀察到可能會(huì)不可逆地?fù)p壞復(fù)合材料容器的現(xiàn)象。在某些情況下，如圖1(b)所示，在例如由加壓流體快速泄放導(dǎo)致的壓強(qiáng)損失的作用下，內(nèi)襯可能會(huì)從外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)上脫層(delaminate)并塌陷(collapse)。內(nèi)襯的塌陷可能會(huì)導(dǎo)致不可逆的損壞，例如內(nèi)襯的撕裂或刺穿。在該情況下，復(fù)合材料壓力容器被破壞，不能夠修復(fù)，必須更換。該現(xiàn)象在加壓氣體穿過內(nèi)襯的壁滲透并留在內(nèi)襯與外部熱固性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)之間的交界處時(shí)增強(qiáng)，由此顯著地增大穿過內(nèi)襯壁的壓強(qiáng)差，并相應(yīng)增大脫層分離(delamination)的風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出內(nèi)襯在復(fù)合材料壓力容器突然損失壓強(qiáng)的情況下分離和塌陷的問題的一個(gè)解決方案。在以下部分中更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的這個(gè)和其它優(yōu)點(diǎn)。