[发明专利]一种Ⅴ型无内胆高压复合材料储罐成型工艺

说明书

本发明公开一种Ⅴ型无内胆高压复合材料储罐成型工艺，首先，弹簧卷制机将选定截面形状尺寸的丝材按照储气瓶内部结构形状和尺寸卷制成旋制基板，并在旋制基板上喷涂脱模剂。第二，通过纤维编织设备/纤维缠绕设备编织/缠绕碳纤维复合材料；第三，将旋制基板和碳纤维复合材料层一同送入树脂固化装备中进行固化，待固化后取出制品。第四，通过抽丝机构，将成型旋制基板的金属丝拉直并缓慢抽出储气瓶，最终获得满足要求的储气瓶。本发明工艺纤维编织过程中连续纤维层无需裁剪、拼接等操作，不形成应力缺陷和气体渗漏缺陷，提高成型效率和实现基板的可重复利用，适用于不同直径、长度、封头结构的Ⅴ型无内胆高压复合材料储罐成型，具有较高的灵活性。

技术领域

本发明涉及特种设备加工成型领域，具体涉及一种Ⅴ型无内胆高压复合材料储罐成型工艺。

背景技术

开发安全、轻质、高效的储氢瓶等高压储气罐已经成为目前一种重要的能源储运技术需求。针对于当前的能源储运需求，Ⅳ型储氢瓶相比于Ⅲ型储氢瓶具有更大的轻量化优势，其将储氢密度提升至5wt.％以上，很大程度上提高了能源的储运和利用效率。然而，内胆的存在仍然没有避开内胆塌陷、鼓包等失效问题。同时，作为储氢瓶的一种分工，储氢瓶的内胆主要用于阻隔气体，防止高压气体在瓶身处大量泄露；而外层的碳纤维复合材料作为承压层主要用于承受储氢瓶内外的大压差带来的应力。然而，碳纤维复合材料层虽然只用于承压，但是其也具有较小的气体渗漏系数，并且显示出较好的气体阻隔性能；而内胆作为阻隔层，通常在承压过程中基本不能分担多少压差带来的应力，而且还在储氢瓶的总体重量中占有较大的比例。不仅如此，因为内胆和碳纤维复合材料层的材料不同，其在各种物理性能例如热性能等方面都存在不同，这也会导致储氢瓶在使用过程中遇到环境因素导致的问题。因此，研究人员目前已经开发出了一种无内胆的Ⅴ型储氢瓶，将气体阻隔和承压复合到碳纤维复合材料本身，不仅可以进一步提高储氢密度，还避免了多种材料性能不同导致的使用问题。

然而，Ⅴ型储氢瓶是完全通过碳纤维复合材料丝束缠绕成型的，在没有内胆(成型基板)的情况下成型具有较大的挑战性。当前，仅美国的Composites TechnologyDevelopment(CTD)公司与美国空军研究实验室(Wright-Patterson AFB)和德克萨斯大学合作建造了可商用、全复合材料、无内衬的压力容器，其通过先制造一个可溶解的、与储氢瓶形状一致的成型基板，然后在成型基板上缠绕碳纤维复合材料并固化后溶解基板的方式成型Ⅴ型储氢瓶。这种方法的效率较低，成本高，且成型前仍需要一套模具成型基板。当前，弹簧制造技术已经十分成熟，同时，简易螺旋结构的3D打印技术也趋于成熟，因此，可以利用瘫痪制造技术或3D打印技术制造Ⅴ型储氢瓶成型基板，但目前无人开展相关研究。

除此之外，碳纤维复合材料的缠绕/铺设也是一大难点，目前高压储氢瓶等多采用的纤维缠绕方式是纤维束以一定角度在储氢瓶内胆上进行缠绕，最终获得碳纤维层。然而，碳纤维丝束单丝缠绕的方式成型的Ⅴ型储氢瓶碳纤维复合材料层会存在未充分激发无机材料/碳纤维阻隔性能的问题。将碳纤维编织后可分配载荷、减轻微裂纹、空隙和制造引起的缺陷的生长以及可有效提高延展性、阻挡层抗损伤性。目前美国的CompositesTechnology Development公司(专利号：US8074826B2)计划采用先编织材料再切割的方式在储氢瓶制造中在基板上铺设编织碳纤维，这种技术手段效率低，成本高，且切割位置容易出现不连续和薄弱点的问题，有可能导致一系列的连带问题。在纤维铺设过程中也计划采用手动方式铺设，这样效率低，成型精度差。而当前等直径圆管纤维编织技术已经趋于成熟，但还未被用于成型Ⅴ型储氢瓶等变直径结构和成型往复结构。因此，其技术原理可被借鉴用于成型编织碳纤维复合材料层。

发明内容