[发明专利]智能监控三维复合材料耐压气瓶及其制备方法

权利要求书

1.智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，

所述智能监控三维复合材料耐压气瓶，包括金属内胆层、塑形界面层、表面三维编织复合材料层和位于气瓶一端的介质出入口，其中：

所述金属内胆层为整体无缝结构；

所述塑形界面层位于所述金属内胆层和表面三维编织复合材料层的中间，所述塑形界面层为纤维增强热塑性树脂基体复合材料，所述塑形界面层设置有应变感应装置，该应变感应装置设置在塑形界面层的厚度中间位置；

所述表面三维编织复合材料层位于所述耐压气瓶最外表面，所述表面三维编织复合材料层包括筒身段和封头段，所述表面三维编织复合材料层也设置有应变感应装置，该应变感应装置设置在所述表面三维编织复合材料层的厚度中间或表面位置；

所述金属内胆层的材质为不锈钢、铝合金、钛合金中的一种，所述金属内胆层的外表面设置有螺纹状沟槽，所述螺纹状沟槽的深度为1～3mm，所述应变感应装置为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，所述应变感应装置的数量为一个或多个；

所述金属内胆层的厚度为2～6mm，所述筒身段长度为0.5～3m，所述筒身段厚度为5～10mm，所述封头段长度为0.5～2m，所述封头段厚度为5～10mm；

所述制备方法包括以下步骤：

(1)金属内胆的制备：金属内胆以金属材质冲压成型，然后在金属内胆外表面制备螺纹状沟槽；

(2)塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋：将纤维和树脂基体进行混合，通过机械搅拌混合均匀；采用注射成型工艺加工塑形界面层，将金属内胆层固定在模具中，同时，将应变感应装置固定在模具型腔的特定位置，通过注射成型将混合均匀的纤维树脂熔融体注射至模具型腔中，冷却成型并脱模；

(3)表面三维编织复合材料层的加工及应变感应装置的引入：包括筒身段和封头段两部分预制体的加工；筒身段的制备是将主体纤维和辅助纤维以一定比例混合树脂基体，通过三维编织得到三维预制体，对预制体通过缝合进行二次强化，在三维预制体制备过程中，在其厚度中间位置或表面位置预埋应变感应装置；封头段的制备是将主体纤维和辅助纤维以一定比例混合树脂基体，通过三维编织得到三维预制体，在封头段和筒身段结合的边缘采用三维七向纤维编织技术成型，在三维预制体制备过程中，在其厚度中间位置或表面位置预埋应变感应装置；

(4)热固化成型和后处理：在中间的塑形界面层制备完毕后，将筒身段和封头段的带有应变感应装置的三维预制体置于塑形界面层的表面，通过真空导入或RTM工艺将三维预制体和树脂进行浸渍复合，复合之后的坯体通过加热固化成型；最后进行后处理。

2.根据权利要求1所述的智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述纤维长度为10～50mm，所述纤维包括主体纤维和辅助纤维，所述主体纤维为碳纤维，所述辅助纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的一种，所述主体纤维和辅助纤维的重量比为4∶1～10∶1。

3.根据权利要求1所述的智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述塑形界面层的树脂基体中树脂含量为20～50％，该树脂基体中的树脂为聚氨酯树脂、聚乙烯树脂、聚醚醚酮、聚甲醛、聚丙烯和聚苯硫醚中的一种。

4.根据权利要求1所述的智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述筒身段和封头段中，主体纤维均为碳纤维，辅助纤维均为芳纶纤维、玻璃纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维中的一种或几种组合，所述主体纤维和辅助纤维的重量比为2∶1～10∶1；所述筒身段和封头段中树脂基体中树脂含量为20～50％，该树脂为环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂中的一种。

5.根据权利要求1所述的智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述筒身段的三维预制体采用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向中的一种三维编织结构；所述封头段的三维预制体采用三维五向、三维六向和三维七向中的一种三维编织结构，所述封头段和筒身段连接的边缘采用三维七向纤维编织技术成型。

6.根据权利要求1所述的智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述热固化成型过程采用梯度温度控制，先在70～80℃保温0.5～1h，之后升高温度至100～160℃保温20min～2h；所述后处理为在无外压作用下，放入烘箱加热至80～110℃，时间为2～4h。