專利名稱：一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的生產(chǎn)工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料高壓氣瓶，特別是鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶。
背景技術(shù)：
鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶是近幾年發(fā)展起來的一種新材料氣瓶。過去，人們使用鋼質(zhì)高壓氣瓶作為儲(chǔ)存壓縮空氣或氧氣的容器，呼吸器的高壓供氣部件，鋼質(zhì)氣瓶與其相比具有重量重、使用時(shí)間短，在耐腐蝕、安全性等性能方面也較鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶差，將鋼質(zhì)氣瓶用于自給正壓式呼吸器，裝具自重明顯給使用者造成不便。鋼質(zhì)高壓氣瓶器如遇到意外事故，其破裂屬突發(fā)性破片模式，會(huì)有碎片飛出傷人，其安全性能、疲勞壽命、耐腐蝕性能、抗火燒性能和閉氣性能都比較差
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種安全性能好、疲勞壽命長，耐腐蝕性能、抗火燒性能和閉氣性能均佳的氣瓶。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的生產(chǎn)工藝方法，復(fù)合氣瓶由內(nèi)至外四部分組成，鋁內(nèi)膽、防電腐蝕涂層、碳纖維纏繞層、玻璃纖維纏繞層，工藝流程包括步驟一一次成型鋁內(nèi)膽；步驟二 在鋁內(nèi)膽外表面涂一層防電腐蝕涂層；步驟三在鋁內(nèi)膽筒體部分，采用T700-12KC碳纖維進(jìn)行由環(huán)向螺旋纏繞層和縱向纏繞纖維層鋪層次序交替纏繞完成碳纖維纏繞層(I)進(jìn)行環(huán)向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6. 5-7. 5mm的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)70-85為數(shù)6-7層的循環(huán)纏繞；(2)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度5. 5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進(jìn)行每層紗帶片數(shù)90-95為數(shù)
1-2層的循環(huán)纏繞；(3)進(jìn)行環(huán)向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6. 5-7. 5mm的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)70-85為數(shù)
2-3層的循環(huán)纏繞；(4)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度5. 5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進(jìn)行每層紗帶片數(shù)90-95為數(shù)1-2層的循環(huán)纏繞；(5)在鋁內(nèi)膽的瓶底、瓶肩部分采用縱向螺旋纏繞，其鋪層順序與筒體縱向螺旋纏繞纖維層一致；進(jìn)行碳纖維纏繞層纏繞時(shí)，單股纖維的平均張力T = 10 20 (N/股)，并在纏繞過程中適當(dāng)?shù)乜刂骗h(huán)氧樹脂含量、確保纖維體積含量為Vf = 0. 60 0. 70。步驟四在碳纖維全纏繞層的表面上采用2-4股玻璃纖維紗纏繞(I)進(jìn)行環(huán)向纏繞，使用帶寬6. 5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)60-68為數(shù)1_2層的循環(huán)纏繞；(2)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度6. 5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角10度至15度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)75-85為數(shù)1-2層的循環(huán)纏繞；步驟五將纏繞后的復(fù)合氣瓶放入固化爐中固化成型，溫至120°C ±10°C保溫2-4小時(shí)，然后爐內(nèi)溫度緩慢降至室溫；
步驟六將成型后的復(fù)合氣瓶加壓PA = 55-60MPa,使其完全進(jìn)入塑性變形狀態(tài)后，泄壓至零。鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的設(shè)計(jì)和制造與鋼質(zhì)氣瓶屬于兩個(gè)截然不同的領(lǐng)域，是正在探索的高新領(lǐng)域，經(jīng)該工藝方法生產(chǎn)的鋁內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶主要技術(shù)指標(biāo)為安全系數(shù)n > 3. 4，疲勞循環(huán)次數(shù)N ^ 10000次，滿足了合理的應(yīng)力場(chǎng)分布，保證復(fù)合氣瓶在使用最少的纖維用量的條件下能夠承受最大的爆破壓力，使其破裂位置起始于復(fù)合氣瓶的筒體部位、無碎片，并且在給定的工作壓力下復(fù)合氣瓶的鋁內(nèi)膽始終處于彈性變形狀態(tài)，保證復(fù)合氣瓶具有持久、良好的氣密性能和最佳的安全的性能。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖I為本發(fā)明鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)圖I筒體部分A的局部剖視圖。其中1-筒體部分；2_瓶底部分；3_瓶肩部分；4_瓶口部分；5-防電腐蝕涂層；6-縱向碳纖維纏繞層；7_環(huán)向碳纖維纏繞層；8_抗沖擊玻璃纖維保護(hù)層^cr瓶底部分矢高；D-筒體部分內(nèi)徑^1-筒體部分高度；L4-筒體兩端的過渡部分高度；L2-瓶肩部分矢高；L3-瓶口部分長度。
具體實(shí)施例方式鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶包括瓶底部分2、筒體部分I、瓶肩部分3和瓶口部分4，其主要承載結(jié)構(gòu)是由鋁內(nèi)膽和碳纖維纏繞層6和7，結(jié)構(gòu)如圖I所示，本發(fā)明根據(jù)其功能要求，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析對(duì)鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶進(jìn)行鋪層次序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示，以無縫鋁內(nèi)膽為芯模、鋁內(nèi)膽表面上按優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪層順序進(jìn)行T700-12KC碳纖維纏繞，外表面上纏繞玻璃纖維作為抗沖擊保護(hù)層8，并在制造過程中對(duì)復(fù)合氣瓶進(jìn)行“自緊”處理，具體實(shí)施方式
為(I) 一次成型鋁內(nèi)膽芯模。(2)在鋁內(nèi)膽的外表面上涂抹一層聚氨酯清漆作為防電腐蝕層5。(3)碳纖維纏繞層6和7的纏繞工藝參數(shù)碳纖維紗團(tuán)數(shù)為2 4團(tuán)紗，碳纖維纏繞線型(纏繞角、帶寬、鋪層順序及每個(gè)循環(huán)層紗帶片條數(shù))見(表一)
權(quán)利要求
1.一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的生產(chǎn)工藝方法，復(fù)合氣瓶由內(nèi)至外四部分組成，鋁內(nèi)膽、防電腐蝕涂層、碳纖維纏繞層、玻璃纖維纏繞層，工藝流程如下 步驟一一次成型鋁內(nèi)膽； 步驟二 在鋁內(nèi)膽外表面涂一層防電腐蝕涂層； 步驟三在鋁內(nèi)膽筒體部分，碳纖維纏繞層由環(huán)向螺旋纏繞層和縱向纏繞纖維層鋪層次序交替纏繞完成 (1)進(jìn)行環(huán)向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6.5-7. 5_的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)70-85為數(shù)6_7層的循環(huán)纏繞； (2)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度5.5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進(jìn)行每層紗帶片數(shù)90-95為數(shù)1_2層的循環(huán)纏繞； (3)進(jìn)行環(huán)向纏繞，在筒體中部約占筒體65%-75%部分使用帶寬6.5-7. 5_的紗帶片等厚纏繞，在筒體至瓶頸及瓶底兩段使用帶寬5. 5-6. 5mm的紗帶片增厚纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)70-85為數(shù)2_3層的循環(huán)纏繞； (4)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度5.5-6. 5mm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角9度至12度及20度至23度，分別進(jìn)行每層紗帶片數(shù)90-95為數(shù)1_2層的循環(huán)纏繞； (5)在鋁內(nèi)膽的瓶底、瓶肩部分采用縱向螺旋纏繞，其鋪層順序與筒體縱向螺旋纏繞纖維層一致； 步驟四在碳纖維全纏繞層的表面上采用2-4股玻璃纖維紗纏繞 (1)進(jìn)行環(huán)向纏繞，使用帶寬6.5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角85度至95度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)60-68為數(shù)1_2層的循環(huán)纏繞； (2)進(jìn)行縱向纏繞，使用寬度6.5-7. Omm的紗帶片纏繞，以纖維增強(qiáng)方向和復(fù)合氣瓶縱向?qū)ΨQ軸的纏繞角10度至15度，進(jìn)行每層紗帶片數(shù)75-85為數(shù)1-2層的循環(huán)纏繞； 步驟五將纏繞后的復(fù)合氣瓶放入固化爐中固化成型，溫至120°C ±10°C保溫2-4小時(shí)，然后爐內(nèi)溫度緩慢降至室溫； 步驟六將成型后的復(fù)合氣瓶加壓PA = 55-60MPa，使其完全進(jìn)入塑性變形狀態(tài)后，泄壓至零。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的生產(chǎn)工藝方法,其特征在于進(jìn)行碳纖維纏繞層纏繞時(shí)，單股纖維的平均張力T = 10-20 (N/股)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的生產(chǎn)工藝方法，其特征在于進(jìn)行碳纖維纏繞層纏繞時(shí)，纖維體積含量應(yīng)為Vf = 0. 60-0. 70。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶制造工藝方法，該復(fù)合氣瓶的主要承載結(jié)構(gòu)是鋁內(nèi)膽和碳纖維纏繞層，其筒體部分上的碳纖維纏繞層是由縱向螺旋纏繞纖維層和環(huán)向纏繞纖維層按優(yōu)化設(shè)計(jì)所得的鋪層次序交替纏繞而成，碳纖維全纏繞層的表面上纏繞玻璃纖維層作為復(fù)合氣瓶的抗沖擊保護(hù)層。經(jīng)該工藝方法生產(chǎn)的鋁內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶主要技術(shù)指標(biāo)為安全系數(shù)n≥3.4，疲勞循環(huán)次數(shù)N≥10000次，滿足了合理的應(yīng)力場(chǎng)分布，保證復(fù)合氣瓶在使用最少的纖維用量的條件下能夠承受最大的爆破壓力，使其破裂位置位于氣瓶筒體部位、無碎片，并在給定的工作壓力下復(fù)合氣瓶的鋁內(nèi)膽始終處于彈性變形狀態(tài)，保證復(fù)合氣瓶具有持久、良好的氣密性能和最佳安全性能。
文檔編號(hào)F17C1/14GK102748584SQ20111009773
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者岳建飛, 張?jiān)鰻I, 張金秀, 解越美, 譚軼謙 申請(qǐng)人:北京天海工業(yè)有限公司