[发明专利]智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法，涉及新型复合材料耐压容器领域。所述智能化二维碳纤维复合材料包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段的中间或外表面位置设置有均匀分布的第一传感器；所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段的中间或外表面位置设置有均匀分布的第二传感器；所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段的中间或外表面位置设置有第三传感器。本发明能有效监控复合材料耐压结构状态，实现对复合材料耐压气瓶的寿命预测和工况条件跟踪。

技术领域

本发明涉及新型复合材料耐压容器领域，特别是指一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法。

背景技术

碳纤维复合材料耐压气瓶具有重量轻、耐腐蚀、刚性好、耐压稳定性高、可设计性强等综合优势，在介质存储、交通运输等领域有着广泛的应用。目前的复合材料耐压气瓶容器的制作主要是利用高性能碳纤维浸渍树脂后，通过二维缠绕制备纤维预制体结构，其厚度方向主要是二维纤维排布结构，再通过热固化成型制备复合材料。

传统的复合材料气瓶的受压条件要求严苛，要求复合材料气瓶的不同组成结构均要承受工况条件要求的压强，同时保证有一定的使用寿命。在复合材料纤维缠绕过程中要达到结构对耐压工况条件的预测较为不现实，这也是目前复合材料耐压气瓶应用过程中质量不稳定的一个重要因素。

发明内容

本发明提供一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶及其制备方法，该耐压气瓶能有效监控复合材料耐压结构状态，实现对复合材料耐压气瓶的寿命预测和工况条件跟踪。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶，包括筒身段、封头段和连接筒身段和封头段的连接段，其中：

所述筒身段为二维螺旋缠绕层，所述筒身段设置有均匀分布的第一传感器，所述第一传感器埋入所述筒身段的中间或外表面位置；

所述封头段也为二维螺旋缠绕层，所述封头段设置有均匀分布的第二传感器，所述第二传感器埋入所述封头段的中间或外表面位置；

所述连接段通过纵向缝合的二维编织叠层结构将所述筒身段和封头段连接，所述连接段设置有第三传感器，所述第三传感器埋入所述连接段的中间或外表面位置。

进一步的，所述第一传感器和第二传感器为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，所述第三传感器为光纤或应变片中的一种或两种组合，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器的数量为一个或多个。

进一步的，所述二维螺旋缠绕层由主体纤维和辅助纤维组成；所述筒身段的外径尺寸为5～30cm，所述筒身段的厚度为5～40mm，所述筒身段的长度为0.5～3m；所述封头段的高度为10～40cm，所述封头段厚度为5～40mm；所述连接段的长度为20～40cm。

一种上述任一的智能化二维碳纤维复合材料耐压气瓶的制备方法，包括以下步骤：

(1)筒身段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备二维碳纤维缠绕层的同时，在二维螺旋缠绕层的厚度的中间或外表面位置埋入第一传感器，得到耐压气瓶的筒身段；

(2)封头段的制备：将主体纤维和辅助纤维同步浸渍复合树脂，主体纤维和辅助纤维按一定比例、一定缠绕角度在芯模基体上采用螺旋缠绕工艺制备二维螺旋缠绕层；制备该二维螺旋缠绕层的同时，在该二维螺旋缠绕层的中间或外表面位置埋入第二传感器，得到耐压气瓶的封头段；

(3)连接段的制备：采用二维编织工艺对筒身段的螺旋缠绕层边缘和封头段的螺旋缠绕层边缘的叠层结构进行连接，叠层之间通过纵向缝合形成整体；在纵向缝合的同时，将第三传感器与纤维混杂引入缝合结构中，得到预制体浸胶复合结构；