[發明專利]一種Ⅴ型無內膽高壓復合材料儲罐成型工藝

有效

• 申請號: 202110974301.4
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113606487B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 謝鵬程;王修磊;丁玉梅;楊衛民
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: F17C1/06
• 分類號: F17C1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種Ⅴ型無內膽高壓復合材料儲罐成型工藝，首先，彈簧卷制機將選定截面形狀尺寸的絲材按照儲氣瓶內部結構形狀和尺寸卷制成旋制基板，并在旋制基板上噴涂脫模劑。第二，通過纖維編織設備/纖維纏繞設備編織/纏繞碳纖維復合材料；第三，將旋制基板和碳纖維復合材料層一同送入樹脂固化裝備中進行固化，待固化后取出制品。第四，通過抽絲機構，將成型旋制基板的金屬絲拉直并緩慢抽出儲氣瓶，最終獲得滿足要求的儲氣瓶。本發明工藝纖維編織過程中連續纖維層無需裁剪、拼接等操作，不形成應力缺陷和氣體滲漏缺陷，提高成型效率和實現基板的可重復利用，適用于不同直徑、長度、封頭結構的Ⅴ型無內膽高壓復合材料儲罐成型，具有較高的靈活性。

技術領域

本發明涉及特種設備加工成型領域，具體涉及一種Ⅴ型無內膽高壓復合材料儲罐成型工藝。

背景技術

開發安全、輕質、高效的儲氫瓶等高壓儲氣罐已經成為目前一種重要的能源儲運技術需求。針對于當前的能源儲運需求，Ⅳ型儲氫瓶相比于Ⅲ型儲氫瓶具有更大的輕量化優勢，其將儲氫密度提升至5wt.％以上，很大程度上提高了能源的儲運和利用效率。然而，內膽的存在仍然沒有避開內膽塌陷、鼓包等失效問題。同時，作為儲氫瓶的一種分工，儲氫瓶的內膽主要用于阻隔氣體，防止高壓氣體在瓶身處大量泄露；而外層的碳纖維復合材料作為承壓層主要用于承受儲氫瓶內外的大壓差帶來的應力。然而，碳纖維復合材料層雖然只用于承壓，但是其也具有較小的氣體滲漏系數，并且顯示出較好的氣體阻隔性能；而內膽作為阻隔層，通常在承壓過程中基本不能分擔多少壓差帶來的應力，而且還在儲氫瓶的總體重量中占有較大的比例。不僅如此，因為內膽和碳纖維復合材料層的材料不同，其在各種物理性能例如熱性能等方面都存在不同，這也會導致儲氫瓶在使用過程中遇到環境因素導致的問題。因此，研究人員目前已經開發出了一種無內膽的Ⅴ型儲氫瓶，將氣體阻隔和承壓復合到碳纖維復合材料本身，不僅可以進一步提高儲氫密度，還避免了多種材料性能不同導致的使用問題。

然而，Ⅴ型儲氫瓶是完全通過碳纖維復合材料絲束纏繞成型的，在沒有內膽(成型基板)的情況下成型具有較大的挑戰性。當前，僅美國的Composites TechnologyDevelopment(CTD)公司與美國空軍研究實驗室(Wright-Patterson AFB)和德克薩斯大學合作建造了可商用、全復合材料、無內襯的壓力容器，其通過先制造一個可溶解的、與儲氫瓶形狀一致的成型基板，然后在成型基板上纏繞碳纖維復合材料并固化后溶解基板的方式成型Ⅴ型儲氫瓶。這種方法的效率較低，成本高，且成型前仍需要一套模具成型基板。當前，彈簧制造技術已經十分成熟，同時，簡易螺旋結構的3D打印技術也趨于成熟，因此，可以利用癱瘓制造技術或3D打印技術制造Ⅴ型儲氫瓶成型基板，但目前無人開展相關研究。

除此之外，碳纖維復合材料的纏繞/鋪設也是一大難點，目前高壓儲氫瓶等多采用的纖維纏繞方式是纖維束以一定角度在儲氫瓶內膽上進行纏繞，最終獲得碳纖維層。然而，碳纖維絲束單絲纏繞的方式成型的Ⅴ型儲氫瓶碳纖維復合材料層會存在未充分激發無機材料/碳纖維阻隔性能的問題。將碳纖維編織后可分配載荷、減輕微裂紋、空隙和制造引起的缺陷的生長以及可有效提高延展性、阻擋層抗損傷性。目前美國的CompositesTechnology Development公司(專利號：US8074826B2)計劃采用先編織材料再切割的方式在儲氫瓶制造中在基板上鋪設編織碳纖維，這種技術手段效率低，成本高，且切割位置容易出現不連續和薄弱點的問題，有可能導致一系列的連帶問題。在纖維鋪設過程中也計劃采用手動方式鋪設，這樣效率低，成型精度差。而當前等直徑圓管纖維編織技術已經趨于成熟，但還未被用于成型Ⅴ型儲氫瓶等變直徑結構和成型往復結構。因此，其技術原理可被借鑒用于成型編織碳纖維復合材料層。

發明內容