[发明专利]具有增强内衬的复合材料压力容器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种复合材料压力容器(1)，其包括：(a)包括内衬(2p)的主体(2b)，所述内衬包括沿着纵轴X1延伸的圆柱形部分，并由热塑性聚合物材料制成；和(b)包裹在所述主体(2b)上的由连续纤维增强的热固性基质复合材料制成的外部热固性增强结构(3c)，其包括增强纤维(11)和热固性基质(13)，其特征在于，所述主体(2b)还包括由连续纤维增强的热塑性复合材料制成的热塑性增强层(2c)，该热塑性增强层包括增强纤维(11)和热塑性基质(12)，并粘合到所述内衬的圆柱形部分。

技术领域

本发明涉及包括由未增强聚合物制成并形成内部空腔的内衬的类型的复合材料压力容器，该内衬封闭在纤维增强聚合物壳体中，该复合材料压力容器常用作压缩天然气(CNG)储罐、压缩氢气(CHG)储罐、液化石油气(LPG)储罐和类似器件。特别地，本发明的复合材料压力容器特别能够抵抗当内部空腔中的压强突然下降时内衬从复合材料壳体的分离(这样的现象也称作“屈曲”，英文buckling)。

背景技术

用于存储处于高压的流体的复合材料压力容器由于其相对于金属压力容器重量轻而是有利的，特别是在容器可动的情况下，例如运输(机动车辆、航天、铁道，和类似)领域中的用于存储作为燃料的压缩流体的压力容器。复合材料压力容器通常包括由(未增强)热塑性聚合物(例如PA或HDPE)制成的内衬。内衬限定内部空腔，一般包括沿着纵轴X1延伸的大致圆柱形的部分，其任一侧都有封闭内部空腔的圆顶状盖。设置有至少一个配备有相应连接件的开口，用于将加压流体注入或提取出内部空腔。为了增强结构硬度并使其能够抵抗当压力容器充装有加压流体时内部空腔内的高压，内衬封闭在形成外部热固性增强结构的连续纤维增强复合材料层压板中。例如在WO2018007367中说明了一个复合材料压力容器的例子。

外部热固性增强结构提供复合材料压力容器为了能够承受内部空腔中的高压所要求的强度和硬度。如图1(a)所示，为了提供所期望的机械特性，外部热固性增强结构包括按照特定模式布置的连续增强纤维，其一般包括：

按环箍方向布置、即以相对于纵轴X1的80至100°的角度布置的纤维部分3h；和

按螺旋方向布置、即以相对于纵轴X1的10至70°的角度布置的纤维部分3x。

增强纤维嵌在热固性基质中以形成连续纤维增强热固性复合材料。

外部热固性增强结构可通过不同的技术包裹在内衬上，包括以下方法。外部热固性增强结构可通过丝线缠绕(FW)或条带缠绕(TW)(在本说明书中统称为“丝线缠绕”，包括丝线和条带缠绕两者)，通过缠绕浸渍有液态热固性树脂的增强纤维丝束或条带来施加，以在聚合物基质固化时形成纤维增强热固性复合材料的外部壳体。如在现有技术中所熟知的，缠绕角度可以非常准确地控制，纤维丝束或条带部分按环箍方向布置，其它纤维部分螺旋地布置。

可替代地，可通过注入技术、例如树脂传递模塑(RTM)或真空注入工艺(VIP)将编织的预成型件用液态热固性树浸渍脂，并成型或插入在内衬上。该技术具有比丝线缠绕更快速的优点，但编织纤维的卷曲或起伏不利于最终复合材料的强度和硬度。

无论用于制造复合材料压力容器的技术是什么，在突然损失压力容器内的压强的情况下已经观察到可能会不可逆地损坏复合材料容器的现象。在某些情况下，如图1(b)所示，在例如由加压流体快速泄放导致的压强损失的作用下，内衬可能会从外部热固性增强结构上脱层(delaminate)并塌陷(collapse)。内衬的塌陷可能会导致不可逆的损坏，例如内衬的撕裂或刺穿。在该情况下，复合材料压力容器被破坏，不能够修复，必须更换。该现象在加压气体穿过内衬的壁渗透并留在内衬与外部热固性增强结构之间的交界处时增强，由此显著地增大穿过内衬壁的压强差，并相应增大脱层分离(delamination)的风险。

发明内容

本发明提出内衬在复合材料压力容器突然损失压强的情况下分离和塌陷的问题的一个解决方案。在以下部分中更详细地解释本发明的这个和其它优点。