專利名稱：用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓氣瓶制造領(lǐng)域，尤其涉及一種用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具，而汽車使用的動(dòng)力原料——石油卻在日益枯竭，而且會(huì)使全球的環(huán)境遭到破壞。因此，相繼出現(xiàn)天然氣汽車(CNG、LNG)、醇類汽車，但是這些代用燃料仍有排放污染和熱效應(yīng)。與此同時(shí)，大量電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)車等也相繼出現(xiàn)，但是也存在電池的污染、制造成本高、 系統(tǒng)較復(fù)雜等一直制約其發(fā)展。人們期待一種無污染、用之不竭的新型能源，于是采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的汽車應(yīng)運(yùn)而生。壓縮空氣動(dòng)力汽車行駛的能量由存儲(chǔ)在高壓壓縮空氣中的壓力來提供。為此，需要有一種安全可靠的儲(chǔ)氣裝置來存儲(chǔ)高壓的壓縮空氣。然而，現(xiàn)在市場上常見的高壓氣瓶大多存在缺陷，不適合用于空氣動(dòng)力車，例如，高壓氣瓶往往采用全鋼材料，雖然耐用但是自重較大，提高了車輛的能耗；而鋁制內(nèi)膽的氣瓶雖然重量輕，但是選材困難，在制造過程中易出現(xiàn)劃痕缺陷，且對成型工藝要求高，導(dǎo)致整體的成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種重量輕，耐壓性能好的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶。本發(fā)明的目的通過提供以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，所述高壓氣瓶的壁由內(nèi)到外依次包括由鋼制成的內(nèi)膽；由尼龍材料制成的結(jié)合涂層；由碳纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成的強(qiáng)度層；外保護(hù)層。該技術(shù)方案的有益效果主要體現(xiàn)在高壓氣瓶內(nèi)層采用優(yōu)質(zhì)成型的鋼內(nèi)膽，強(qiáng)度層采用高性能碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有耐高壓，安全性高，耐用等特點(diǎn)。優(yōu)選的，所述內(nèi)膽由鉻鉬鋼管旋壓成型，并進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。優(yōu)選的，所述結(jié)合涂層厚度在200um至300um之間。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，既能夠有效防止氣瓶內(nèi)部內(nèi)膽和強(qiáng)度層間的腐蝕和分離，同時(shí)在長期充裝的條件下不會(huì)出現(xiàn)涂層開裂的現(xiàn)象，也能夠表現(xiàn)出與金屬內(nèi)膽很好的附著力，亦不會(huì)出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象。優(yōu)選的，所述結(jié)合涂層為使用靜電涂層粉末，采用熱噴涂法在內(nèi)膽表面均勻噴涂而成。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，形成的涂層具有良好的光澤度，厚度均勻。優(yōu)選的，所述靜電涂層粉末為熱塑性高分子材料，粉末為球形顆粒。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，球形顆粒易于流平、能均勻涂覆內(nèi)膽的封頭和瓶嘴及工件邊緣。優(yōu)選的，所述的熱噴涂法包括以下步驟首先，將內(nèi)膽進(jìn)行預(yù)熱；然后，在高壓靜電場環(huán)境下，用噴槍將靜電涂層粉末均勻噴到內(nèi)膽表面；在預(yù)定的溫度條件下固化10分鐘到20分鐘。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，產(chǎn)生的涂層具有很好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度， 韌性，耐反復(fù)沖擊振動(dòng)，耐應(yīng)力開裂，絕緣性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能突出，并且在金屬材料上的附著力強(qiáng)，抗撕裂性能優(yōu)異。優(yōu)選的，所述強(qiáng)度層在纏繞在內(nèi)膽外表面時(shí)，首先對碳纖維施加一定的預(yù)應(yīng)力，再經(jīng)膠液體系浸潤后纏繞于內(nèi)膽表面，以使內(nèi)膽和強(qiáng)度層之間形成預(yù)定的拉-壓應(yīng)力。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，在自緊水壓后，使內(nèi)膽具有壓應(yīng)力，強(qiáng)度層具有拉應(yīng)力，有利于提高氣瓶的疲勞性能，延長使用壽命到至少15年。優(yōu)選的，所述碳纖維-環(huán)氧體系材料纏繞形成強(qiáng)度層的步驟為選用抗拉強(qiáng)度不低于4200MPa的碳纖維，按抽紗方向裝入紗架；將碳纖維按照過紗路徑引入盛有膠液的膠槽，穿至繞紗嘴；按不大于60m/min的速度，采用環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞重疊的方式進(jìn)行纏繞；纏繞完成后，將得到的產(chǎn)品放入固化爐進(jìn)行升溫固化。優(yōu)選的，所述碳纖維-環(huán)氧體系材料在形成強(qiáng)度層的纏繞過程中，逐層降低纏繞的張力。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，使其氣瓶強(qiáng)度達(dá)到要求，爆破壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作壓力，提高使用過程中的安全性能。優(yōu)選的，所述外保護(hù)層由玻璃纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成。該技術(shù)方案進(jìn)一步的有益效果為，外保護(hù)層抗沖擊性能好，補(bǔ)償了碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能較差的不足。優(yōu)選的，所述高壓氣瓶的容積為35L至200L，工作壓力不低于35MPa。綜上所述，本發(fā)明的內(nèi)膽采用優(yōu)質(zhì)的薄壁鉻鉬鋼管，采用特殊旋壓工藝旋壓成型， 并采用調(diào)質(zhì)處理，使內(nèi)膽具備優(yōu)異的力學(xué)性能。采用上述工藝成型的內(nèi)膽纏繞成型的氣瓶與鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶和全鋼氣瓶相比，在性能，重量，成本上都具有優(yōu)越性。全鋼制成的氣瓶雖然性能能夠保證，但是其重量過重，大幅度增加了汽車的能耗， 所以其大量使用有一定的局限性。鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞空氣瓶重量輕，但是由于鋁管取材難且價(jià)值高，質(zhì)量參差不齊，也由于現(xiàn)階段鋁管成型旋壓工藝的局限性，使其生產(chǎn)的成本大幅度提高，制成內(nèi)膽的性能也波動(dòng)較大。與上述兩種內(nèi)膽相比，鉻鉬鋼管價(jià)格便宜，成型工藝成熟穩(wěn)定。以容量為IlOL的高壓氣瓶為例，鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞氣瓶的重量約為49Kg，鋼內(nèi)膽碳纖維纏繞氣瓶的重量可控制在59Kg左右?？諝馄康匿X內(nèi)膽一般不承受壓力，其主要起到密封儲(chǔ)存氣瓶的作用，所有的工作載荷全部由碳纖維復(fù)合材料層提供，所以該氣瓶的生產(chǎn)需要大量的碳纖維，而碳纖維的價(jià)格昂貴且不易購買。而本發(fā)明采用的薄壁鋼內(nèi)膽，取材容易，工藝穩(wěn)定，不僅起到密封存儲(chǔ)氣體的作用，也能夠承受一部分工作載荷，這樣可以減少碳纖維復(fù)合材料層所需承受的壓力，從而減少碳纖維的用量，降低成本。本發(fā)明的高壓氣瓶與全鋼氣瓶相比有很大的重量優(yōu)勢；與鋁內(nèi)膽碳纖維氣瓶相比，具有更好的性能穩(wěn)定性和成本優(yōu)勢，其優(yōu)點(diǎn)帶來的效益遠(yuǎn)大于氣瓶重量差距帶來的不足，因而，最終產(chǎn)品重量輕、耐高壓，安全性高，使用壽命長。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明 圖1為本發(fā)明的具體實(shí)施例的高壓氣瓶的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，該用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶為一種鋼內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶，高壓氣瓶的壁由內(nèi)到外依次包括由鋼制成的內(nèi)膽1 ；由尼龍材料制成的結(jié)合涂層2 ；由碳纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成的強(qiáng)度層3 ；外保護(hù)層4。內(nèi)膽1采用優(yōu)質(zhì)的鉻鉬鋼管，先旋壓成型，然后整體調(diào)質(zhì)處理優(yōu)化性能。內(nèi)膽1為儲(chǔ)存高壓空氣提供空間，與充裝介質(zhì)直接接觸，起密封閉氣作用，承擔(dān)一部分的壓力。碳纖維具有很好的力學(xué)性能，高強(qiáng)度，高模量，能夠很好地提高氣瓶的安全系數(shù)，同時(shí)由于碳纖維性能好，也可在一定程度上減少原材料的用量，減少成本費(fèi)用。內(nèi)膽1與強(qiáng)度層3之間的結(jié)合涂層2具有防止金屬制成的內(nèi)膽1腐蝕、傳遞應(yīng)力載荷的重要作用。普通的過渡層材料固化后呈脆性，使用過程中易產(chǎn)生裂紋且與復(fù)材層結(jié)合強(qiáng)度低，導(dǎo)致復(fù)材層與金屬內(nèi)膽剝離，會(huì)引起金屬內(nèi)膽電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響氣瓶使用壽命和安全性。本優(yōu)選實(shí)施例采用了特殊的尼龍材料一尼龍11靜電涂層粉末涂料，其為一種熱塑性高分子材料，球形顆粒易于流平、涂覆內(nèi)膽1的封頭和瓶嘴及工件邊緣，具有很好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度，韌性，耐反復(fù)沖擊振動(dòng)，耐應(yīng)力開裂，絕緣性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能都很突出，并且金屬材料的附著力強(qiáng)，抗撕裂性能優(yōu)異，具體參數(shù)參見表1。表 1。
項(xiàng)目性能項(xiàng)目性能熔點(diǎn)/°c186斷裂伸長率/%250密度 /g. cm-31. 04邵氏硬度HS70-80連續(xù)使用最高溫度/°c100沖擊強(qiáng)度N. cm> 10間斷使用最高溫度/°c130彎曲(Gadner(I) 6mm 棒)合格拉伸強(qiáng)度/lffa40-50耐鹽霧性，2000h很好最低使用溫度/°c-50毒性無
結(jié)合涂層2的厚度在200um至300um之間。這個(gè)厚度既能夠有效防止氣瓶內(nèi)部內(nèi)膽和強(qiáng)度層間的腐蝕和分離，同時(shí)在長期充裝的條件下不會(huì)出現(xiàn)涂層開裂的現(xiàn)象，也能夠表現(xiàn)出與金屬內(nèi)膽很好的附著力，亦不會(huì)出現(xiàn)涂層脫落的現(xiàn)象。結(jié)合涂層2為使用靜電涂層粉末，其為熱塑性高分子材料，粉末為球形顆粒，易于流平、能均勻涂覆氣內(nèi)膽的封頭和瓶嘴及工件邊緣。結(jié)合涂層2采用熱噴涂法在內(nèi)膽1表面均勻噴涂而成，具體為首先，將內(nèi)膽進(jìn)行預(yù)熱；然后，在高壓靜電場環(huán)境下，用噴槍將靜電涂層粉末均勻噴到內(nèi)膽表面；在預(yù)定的溫度條件下固化10分鐘到20分鐘。該方法產(chǎn)生的涂層具有很好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度，韌性，耐反復(fù)沖擊振動(dòng)，耐應(yīng)力開裂，絕緣性能，耐磨性能，耐油性，耐水性能突出，并且在金屬材料上的附著力強(qiáng)，抗撕裂性能優(yōu)異。強(qiáng)度層3在纏繞在內(nèi)膽1外表面時(shí)，首先對碳纖維施加一定的預(yù)應(yīng)力后，再經(jīng)膠液體系浸潤后纏繞于內(nèi)膽表面，以使內(nèi)膽和強(qiáng)度層之間形成預(yù)定的拉-壓應(yīng)力。在自緊水壓后，使內(nèi)膽具有壓應(yīng)力，強(qiáng)度層具有拉應(yīng)力，有利于提高氣瓶的疲勞性能，延長使用壽命到至少15年。
碳纖維-環(huán)氧體系材料纏繞形成強(qiáng)度層，纏繞過程是通過計(jì)算機(jī)程控進(jìn)行的。纏繞前，選用符合設(shè)計(jì)要求的內(nèi)膽，測量內(nèi)膽尺寸(包括筒身段長度，封頭高度，極孔直徑， 瓶嘴長度)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的鋪層，進(jìn)行定制化的纏繞程序設(shè)計(jì)。隨后，選用抗拉強(qiáng)度不低于 4200MPa的碳纖維，按抽紗方向裝入紗架；將碳纖維安裝過紗路徑引入盛有膠液的膠槽，穿至繞紗嘴；按60m/min的速度，采用環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞重疊的方式進(jìn)行纏繞； 并根據(jù)梯度張力施加方法逐層降低張力，實(shí)時(shí)監(jiān)測張力的變化情況、膠含量變化、實(shí)際展紗寬度、線型排布情況，保證設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)在纏繞過程中能夠得到準(zhǔn)確的體現(xiàn)。最后按照設(shè)計(jì)的固化制度固化，具體為將碳纖維纏繞完成的壓力容器放入升溫的固化爐固化，且在過程中進(jìn)一步升高固化爐溫度以充分固化。外保護(hù)層4由玻璃纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成。這樣外保護(hù)層4的抗沖擊性能好，補(bǔ)償了碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能較差的不足。上述的方式制造出的高壓氣瓶，優(yōu)選的容積為35L至200L，工作壓力不低于 35MPa，使用壽命達(dá)到15年以上。本發(fā)明并不限于前述實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)精髓的啟示下，還可能做出其他變更，但只要其實(shí)現(xiàn)的功能與本發(fā)明相同或相似，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于所述高壓氣瓶的壁由內(nèi)到外依次包括由鋼制成的內(nèi)膽；由尼龍材料制成的結(jié)合涂層；由碳纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成的強(qiáng)度層；外保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述內(nèi)膽由鉻鉬鋼管旋壓成型，并進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述結(jié)合涂層厚度在200um至300um之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述結(jié)合涂層為使用電涂層粉末，采用熱噴涂法在內(nèi)膽表面均勻噴涂而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述的熱噴涂法包括以下步驟首先，將內(nèi)膽進(jìn)行預(yù)熱；然后，在高壓靜電場環(huán)境下，用噴槍將靜電涂層粉末均勻噴到內(nèi)膽表面；在預(yù)定的溫度條件下固化10分鐘到20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述強(qiáng)度層在纏繞在內(nèi)膽外表面時(shí)，首先對碳纖維施加一定的預(yù)應(yīng)力，再經(jīng)膠液體系浸潤后纏繞于內(nèi)膽表面，以使內(nèi)膽和強(qiáng)度層之間形成預(yù)定的拉-壓應(yīng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述碳纖維-環(huán)氧體系材料纏繞形成強(qiáng)度層的步驟為選用抗拉強(qiáng)度不低于4200MPa的碳纖維，按抽紗方向裝入紗架；將碳纖維按照過紗路徑引入盛有膠液的膠槽，穿至繞紗嘴；按不大于60m/min的速度，采用環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞重疊的方式進(jìn)行纏繞；纏繞完成后，將得到的產(chǎn)品放入固化爐進(jìn)行升溫固化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述碳纖維-環(huán)氧體系材料在形成強(qiáng)度層的纏繞過程中，逐層降低纏繞的張力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于，所述外保護(hù)層由玻璃纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，其特征在于所述高壓氣瓶的容積為35L至200L，工作壓力不低于35MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于空氣動(dòng)力車的高壓氣瓶，所述高壓氣瓶的壁由內(nèi)到外依次包括由鋼制成的內(nèi)膽；由尼龍材料制成的結(jié)合涂層；由碳纖維-環(huán)氧體系復(fù)合材料制成的強(qiáng)度層；外保護(hù)層。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在高壓氣瓶內(nèi)層采用優(yōu)質(zhì)成型的鋼內(nèi)膽，強(qiáng)度層采用高性能碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有耐高壓，安全性高，耐用等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F17C1/14GK102518933SQ20111042038
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者匡歡, 張宏, 王駿, 米寬, 袁卓偉 申請人:中材科技(蘇州)有限公司