本發(fā)明涉及新型復(fù)合材料耐壓容器領(lǐng)域，特別是指一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩(wěn)定性高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等綜合優(yōu)勢(shì)，在介質(zhì)存儲(chǔ)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前的復(fù)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(yù)制體結(jié)構(gòu)，其厚度方向主要是二維纖維排布結(jié)構(gòu)，再通過熱固化成型制備復(fù)合材料。

傳統(tǒng)的復(fù)合材料氣瓶的受壓條件要求嚴(yán)苛，要求復(fù)合材料氣瓶的不同組成結(jié)構(gòu)均要承受工況條件要求的壓強(qiáng)，同時(shí)保證有一定的使用壽命。在復(fù)合材料纖維纏繞過程中要達(dá)到結(jié)構(gòu)對(duì)耐壓工況條件的預(yù)測(cè)較為不現(xiàn)實(shí)，這也是目前復(fù)合材料耐壓氣瓶應(yīng)用過程中質(zhì)量不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶及其制備方法，該耐壓氣瓶能有效監(jiān)控復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料耐壓氣瓶的壽命預(yù)測(cè)和工況條件跟蹤。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下：

一種智能化二維碳纖維復(fù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)將所述筒身段和封頭段連接，所述連接段設(shè)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(jìn)一步的，所述第一傳感器和第二傳感器為光纖、光柵、磁柵、應(yīng)變片中的一種或幾種組合，所述第三傳感器為光纖或應(yīng)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(shù)量為一個(gè)或多個(gè)。

進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度為20～40cm。

一種上述任一的智能化二維碳纖維復(fù)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(fù)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?；w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(shí)，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(fù)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?；w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(shí)，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(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)，將第三傳感器與纖維混雜引入縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型：將步驟(3)制備所得預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中加熱固化，將固化后的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步的，所述步驟(1)和步驟(2)中，所述復(fù)合樹脂的含膠量在20～50％之間，所述復(fù)合樹脂為環(huán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步的，所述步驟(4)中，固化溫度為120～140℃，固化時(shí)間為1～3h，也可根據(jù)樹脂類型及固化性質(zhì)靈活調(diào)整。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明中，耐壓氣瓶采用碳纖維及其他復(fù)合材料混雜組成二維纏繞結(jié)構(gòu)，具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩(wěn)定性高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等綜合優(yōu)點(diǎn)；在耐壓氣瓶的纏繞結(jié)構(gòu)的不同厚度位置埋入一組或多組應(yīng)變傳感器，在復(fù)雜壓力條件下，耐壓氣瓶的應(yīng)變傳感器感應(yīng)耐壓氣瓶不同位置的微小變化，從而預(yù)測(cè)高壓氣瓶的承壓狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)知使用狀態(tài)和壽命，對(duì)承壓極限狀態(tài)進(jìn)行提前預(yù)警，有效提高碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的使用壽命和服役穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的整體結(jié)構(gòu)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(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

一方面，本發(fā)明提供一種智能化二維碳纖維復(fù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)將筒身段1和封頭段2連接，連接段3設(shè)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。

本發(fā)明中，耐壓氣瓶采用碳纖維及其他復(fù)合材料混雜組成二維纏繞結(jié)構(gòu)，具有重量輕、耐腐蝕、剛性好、耐壓穩(wěn)定性高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等綜合優(yōu)點(diǎn)；在耐壓氣瓶的纏繞結(jié)構(gòu)的不同厚度位置埋入一組或多組應(yīng)變傳感器，在復(fù)雜壓力條件下，耐壓氣瓶的應(yīng)變傳感器感應(yīng)耐壓氣瓶不同位置的微小變化，從而預(yù)測(cè)高壓氣瓶的承壓狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)知使用狀態(tài)和壽命，對(duì)承壓極限狀態(tài)進(jìn)行提前預(yù)警，有效提高碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的使用壽命和服役穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，第一傳感器4和第二傳感器5為光纖、光柵、磁柵、應(yīng)變片中的一種或幾種組合，第三傳感器6為光纖或應(yīng)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(shù)量可根據(jù)耐壓氣瓶的使用要求靈活調(diào)整，為一個(gè)或多個(gè)。

進(jìn)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(jù)耐壓氣瓶的尺寸靈活調(diào)整，優(yōu)選為5～30cm，筒身段1的厚度為5～40mm，筒身段1的長(zhǎng)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(zhǎng)度為20～40cm。合適的耐壓氣瓶尺寸能更好的發(fā)揮其功能。

另一方面，本發(fā)明還提供一種智能化二維碳纖維復(fù)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(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型。

筒身段的制備中，將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復(fù)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?；w上制備二維螺旋纏繞層；制備二維碳纖維纏繞層的同時(shí)，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；優(yōu)選的，二維螺旋纏繞層的主體纖維的使用量在80％以上，主纖維為碳纖維，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；其復(fù)合樹脂的含膠量在20～50％之間，該復(fù)合樹脂為環(huán)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；螺旋纏繞工藝沿著筒身段的軸線輪廓進(jìn)行，螺旋纏繞層的厚度為5～10cm，其纏繞角度為5～90°。

封頭段的制備中，將主體纖維和輔助纖維同步浸漬復(fù)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?；w上制備二維螺旋纏繞層；制備該二維螺旋纏繞層的同時(shí)，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；其中，封頭段的二維螺旋纏繞層的主纖維的使用量在80％以上，主纖維為碳纖維，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；其復(fù)合樹脂的含膠量在20～50％之間，復(fù)合樹脂為環(huán)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；螺旋纏繞工藝沿著封頭段的軸線輪廓進(jìn)行，螺旋纏繞層的厚度為5～10cm，其纏繞角度為5～90°；第二傳感器可選用光纖，可與封頭段纖維混雜進(jìn)行同步纏繞預(yù)埋，光柵、磁柵或應(yīng)變片在特定纖維纏繞位置嵌入即可。

連接段的制備中，采用二維編織工藝對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)，將第三傳感器與纖維混雜引入縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；其中，縱向縫合的紗線包括碳纖維和其他纖維，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，碳纖維與其它纖維的比例為5:1～10:1；第三傳感器可選用光纖或應(yīng)變片，可與連接段所用纖維混雜并引入層間縫合結(jié)構(gòu)中，在光纖使用的同時(shí)也可將應(yīng)變片嵌入縫合結(jié)構(gòu)的中間厚度位置或連接位置的外表面。

預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型中，將上述制備的預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中加熱固化，固化溫度為120～140℃，固化時(shí)間為1～3h，也可根據(jù)樹脂類型及固化性質(zhì)靈活調(diào)整，將固化后的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本工藝的特征和細(xì)節(jié)，但所列過程和數(shù)據(jù)并不意味著對(duì)本發(fā)明范圍的限制。

實(shí)施例1：

一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的具體制備方法，步驟如下：

(1)筒身段的制備：采用T700碳纖維與碳化硅纖維混雜制備筒身段的二維螺旋纏繞層，T700碳纖維與碳化硅纖維的重量比為5:1，在混雜纖維纏繞之前同步浸漬環(huán)氧樹脂，含膠量控制在40％，螺旋纏繞角度為20°，最終制備的筒身段的外徑為10cm，筒身段的厚度為1cm，筒身段的長(zhǎng)度為1m，在筒身段采用光纖并入上述混雜纖維中進(jìn)行同步纏繞；

(2)封頭段的制備：采用T300碳纖維與芳綸纖維以重量比4:1混雜，采用環(huán)氧樹脂浸漬混雜纖維，含膠量控制在30％，螺旋纏繞角度為30°，最終封頭段的高度為25cm，封頭段的厚度為1cm，在封頭段采用光纖并入上述混雜纖維進(jìn)行同步纏繞；

(3)連接段的制備：采用T700碳纖維與UHMWPE纖維混雜，采用二維編織加層間縫合技術(shù)進(jìn)行連接，連接段的長(zhǎng)度為30cm，T700碳纖維與UHMWPE纖維的混雜比例為5:1，選用光纖引入上述混雜纖維的縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型：將步驟(3)得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中進(jìn)行加熱固化，固化溫度為120℃，固化時(shí)間為2h，將最終固化的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

實(shí)施例2：

一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的具體制備方法，步驟如下：

(1)筒身段的制備：采用T700碳纖維與氧化鋁纖維混雜制備筒身段的二維螺旋纏繞層，T700碳纖維與氧化鋁纖維的重量比為4:1，在混雜纖維纏繞之前同步浸漬酚醛樹脂，含膠量控制在20％，螺旋纏繞角度為20°，最終制備的筒身段的外徑為10cm，筒身段的厚度為2cm，筒身段的長(zhǎng)度為1m，在筒身段采用光纖并入上述混雜纖維中進(jìn)行同步纏繞；

(2)封頭段的制備：采用T700碳纖維與玄武巖維以重量比4:1混雜，采用不飽和聚酯樹脂浸漬混雜纖維，含膠量控制在25％，螺旋纏繞角度為20°，最終封頭段的高度為20cm，封頭段的厚度為2cm，在封頭段采用光纖并入上述混雜纖維進(jìn)行同步纏繞；

(3)連接段的制備：采用T700碳纖維與玻璃纖維混雜，采用二維編織加層間縫合技術(shù)進(jìn)行連接，連接段的長(zhǎng)度為32cm，T700碳纖維與玻璃纖維的混雜比例為6:1，選用光纖引入上述混雜纖維的縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型：將步驟(3)得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中進(jìn)行加熱固化，固化溫度為140℃，固化時(shí)間為1h，將最終固化的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

實(shí)施例3：

一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的具體制備方法，步驟如下：

(1)筒身段的制備：采用T300碳纖維與氮化硼纖維混雜制備筒身段的二維螺旋纏繞層，T300碳纖維與氮化硼纖維的重量比為6:1，在混雜纖維纏繞之前同步浸漬聚氨酯樹脂，含膠量控制在30％，螺旋纏繞角度為30°，最終制備的筒身段的外徑為10cm，筒身段的厚度為2cm，筒身段的長(zhǎng)度為1m，在筒身段的二維螺旋纏繞層的厚度中間位置，沿著長(zhǎng)度方向每隔20cm埋入應(yīng)變片傳感器，應(yīng)變片傳感器沿著截面圓以60°為間隔均勻分布；

(2)封頭段的制備：采用T700碳纖維與芳綸纖維以重量比4:1混雜，采用環(huán)氧樹脂浸漬混雜纖維，含膠量控制在30％，螺旋纏繞角度為40°，最終封頭段的高度為25cm，封頭段的厚度為2cm，在封頭段厚度的中間位置，沿著外輪廓埋入應(yīng)變片傳感器，預(yù)埋的應(yīng)變片傳感器沿著截面圓以60°為間隔均勻分布；

(3)連接段的制備：采用T700碳纖維與玄武巖纖維混雜，采用二維編織加層間縫合技術(shù)進(jìn)行連接，連接段的長(zhǎng)度為33cm，T700碳纖維與玄武巖纖維的混雜比例為7:1，選用光纖引入上述混雜纖維的縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型：將步驟(3)得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中進(jìn)行加熱固化，固化溫度為120℃，固化時(shí)間為3h，將最終固化的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

實(shí)施例4：

一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶的具體制備方法，步驟如下：

(1)筒身段的制備：采用T800碳纖維與玄武巖纖維混雜制備筒身段的二維螺旋纏繞層，T800碳纖維與玄武巖纖維的重量比為5:1，在混雜纖維纏繞之前同步浸漬環(huán)氧樹脂，含膠量控制在35％，螺旋纏繞角度為45°，最終制備的筒身段的外徑為15cm，筒身段的厚度為3cm，筒身段的長(zhǎng)度為2m，在筒身段采用光纖并入上述混雜纖維中進(jìn)行同步纏繞；

(2)封頭段的制備：采用T700碳纖維與芳綸纖維以重量比5:1混雜，采用環(huán)氧樹脂浸漬混雜纖維，含膠量控制在40％，螺旋纏繞角度為40°，最終封頭段的高度為25cm，封頭段的厚度為3cm，在封頭段采用光纖并入上述混雜纖維進(jìn)行同步纏繞；

(3)連接段的制備：采用T700碳纖維與UHMWPE纖維混雜，采用二維編織加層間縫合技術(shù)進(jìn)行連接，連接段的長(zhǎng)度為30cm，T700碳纖維與UHMWPE纖維的混雜比例為5:1，選用光纖引入上述混雜纖維的縫合結(jié)構(gòu)中，得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)；

(4)預(yù)浸纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的固化成型：將步驟(3)得到預(yù)制體浸膠復(fù)合結(jié)構(gòu)置于固化爐中進(jìn)行加熱固化，固化溫度為120℃，固化時(shí)間為2h，將最終固化的產(chǎn)品脫模和二次處理成型。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。