本實(shí)用新型涉及新型復(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。

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，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：

本實(shí)用新型提供一種智能化二維碳纖維復(fù)合材料耐壓氣瓶，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)測和工況條件跟蹤。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供技術(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。

進(jìn)一步的，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。

本實(shí)用新型具有以下有益效果：

本實(shí)用新型中，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為本實(shí)用新型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

為使本實(shí)用新型要解決的技術(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，本實(shí)用新型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。

本實(shí)用新型中，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(fā)揮其功能。

另一方面，本實(shí)用新型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)本實(shí)用新型范圍的限制。

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。

以上所述是本實(shí)用新型的優(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，在不脫離本實(shí)用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。