非牛顿流体浸渍的格栅增强型储氢压力容器结构及工艺

摘要

本发明公开了一种非牛顿流体浸渍的格栅增强型储氢压力容器结构及工艺。包括预应力缠绕于气瓶内衬、金属气瓶开口端和尾端外侧表面向外依次布置的纤维增强树脂基复合材料、格栅结构增强层，纤维保护层以及在两端封头处的防撞材料；对气瓶容器结构的整体均采用格栅结构增强层进行增强，格栅结构增强层成型所用纤维采用非牛顿流体浸渍、干燥处理后再进行浸胶缠绕成型；先利用浇注成型的方法分别成型制作出筒身处及封头两端软体格栅结构模具，再以共同粘接方式粘到缠绕纤维增强树脂基复合材料后的气瓶外表面，再进行格栅结构增强层的成型。本发明制得的储氢压力容器具有高刚度、抗冲击、轻量化和低成本的特点。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料储氢压力容器领域的压力容器结构及成型工艺，特别涉及一种格栅增强型储氢压力容器结构及成型工艺。

背景技术

当今世界能源结构正在经历从化石能源向可再生新能源转变的过渡阶段，其中由于氢能具有能源转换效率高、清洁无污染的特点而被看作是汽车行业中能源利用的最终形式，而装载氢气的车载储氢压力容器也因此具有了广泛的研究意义和应用价值。

目前常用的储氢压力容器根据结构组成主要可以分为以下四种，I型瓶完全由金属组成，II型瓶虽然也是采用金属材质，但是在外层环向缠绕玻璃纤维或碳纤维复合材料，III型瓶是以金属材料做内衬、纤维进行纵向和环向全缠绕的复合材料气瓶，IV气瓶则是以塑料内衬替代金属内衬进行螺旋和环向全缠绕的复合材料气瓶。当前储氢瓶的发展正朝着轻量化，高存储量和单位质量储氢密度越来越高的方向发展，但当前主流使用的III型和IV型瓶仍存在刚度差、抗冲击性能不足、价格昂贵和单位质量储氢密度较低的问题。

目前相关专利报道较少，其中有一种格栅结构增强的储氢压力容器，但格栅结构的成型并未采用模具而是直接在气瓶表面利用缠绕的方式成型，因此导致很难在气瓶表面形成具有一定厚度的格栅结构，气瓶的整体性能并不能得到有效的加强。日产汽车股份有限公司申请的有一种格栅结构的储氢瓶，其格栅结构是由两条螺旋平行的格栅加强肋和一条垂直方向的格栅加强肋利用模具在气瓶主体外部进行缠绕成型得来的，然后将成型好的格栅结构与气瓶主体进行组装而成一个整体。其中格栅结构的成型采用在气瓶外部成型然后再装配的方法，由此可能导致气瓶整体性能不佳的问题。另一方面只对气瓶瓶身处进行了格栅结构的加强，而对气瓶的封头两端没有进行保护。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种高刚度、耐冲击和轻量化的经过非牛顿流体浸渍的格栅增强型储氢压力容器结构及成型工艺。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种非牛顿流体浸渍的格栅增强型储氢压力容器结构：

如图1所示，结构包括气瓶内衬、金属气瓶开口端和金属气瓶尾端，气瓶内衬的两端分别连接安装金属气瓶开口端和金属气瓶尾端，还包括预应力缠绕于气瓶内衬、金属气瓶开口端和金属气瓶尾端外侧表面的纤维增强树脂基复合材料，在纤维增强树脂基复合材料外侧表面继续缠绕的具有一定厚度的格栅结构增强层，进一步在格栅结构增强层外侧表面缠绕有的纤维保护层，以及在两端封头处的纤维保护层外侧表面外设置的防撞材料。

对气瓶容器结构的整体均采用格栅结构增强层进行增强，在格栅结构增强层成型是用纤维采用非牛顿流体浸渍、干燥处理后再进行浸胶缠绕成型。

先利用浇注成型的方法分别成型制作出瓶身处和封头处的软体格栅结构模具，再将瓶身处和封头处的软体格栅结构模具共同通过粘接方式粘到缠绕纤维增强树脂基复合材料后的气瓶内衬外表面，再进行格栅结构增强层的成型，缠绕过程及非牛顿流体浸渍、干燥和浸胶的过程如图3所示。

所述的格栅结构增强层是由纤维树脂基复合材料制成的多根格栅加强肋布置而成。瓶身处的软体格栅结构模具与封头处的软体格栅结构模具的衔接处刚好为一根格栅加强肋的宽度，在气瓶内衬外表面的格栅结构增强层固化成型后再将软体格栅结构模具进行拆卸。

所述的非牛顿流体是由聚乙二醇、纳米二氧化硅及少量的碳酸钙所组成的，制备方法及材料的选择按照以下进行：选用聚乙二醇的分子量为200-800之间，所用的纳米二氧化硅颗粒的粒径大小为5-100nm之间，纳米二氧化硅颗粒的用量为聚乙二醇的质量百分比20-70％之间，所用的碳酸钙颗粒的尺寸大小为30-50nm，碳酸钙颗粒的用量为聚乙二醇质量百分比的1-10％之间；制备过程是将称量好的纳米二氧化硅颗粒和碳酸钙颗粒分次逐步地加入到搅拌状态下的聚乙二醇之中，待全部的纳米二氧化硅和碳酸钙颗粒加入之后，静止和抽真空处理除去多余的气泡，随后加入乙醇进行稀释得到非牛顿流体。

所述的格栅结构增强层的纤维是碳纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、天然纤维中的一种或两种以上纤维的组合，或者是同一种纤维的不同种型号。

所述的格栅结构增强层的软体格栅结构模具包括以下几种形状，如三角形、四边形、多边形、Kagome结构、金刚石结构和米字形结构等。

在格栅结构增强层成型后，再在格栅结构增强层外进行全缠绕一定厚度的纤维保护层，纤维保护层缠绕成型后进一步地在两端封头处加装有防撞材料。

所述的气瓶内衬的材料为金属材质或由一种或两种以上高分子材料制备而成的塑料。

对于储氢压力容器的气瓶内衬进行防氢气渗透的处理工艺，进一步地对于金属材料的气瓶内衬表面进行电镀镍铬合金或者金属金处理，或者采用表面氧化处理的方法来细化晶粒；对于非金属材料内衬采用在内衬表面进行气相沉积聚四氟乙烯涂层的方法。

本发明特殊地采用非牛顿流体对格栅结构增强层进行浸渍处理，然后用于储氢压力容器中，能够增大了裂纹扩展所需要的能量，提高格栅结构增强层的抗冲击性能和抗失稳能力，从而提高了气瓶的安全性能。

二、一种非牛顿流体浸渍的格栅增强型储氢压力容器的制造工艺：

1)成型气瓶内衬；

2)气瓶内衬外表面预应力缠绕纤维增强树脂基复合材料；

3)格栅结构增强层的软体模具制备，首先利用机械加工的方法成型出模具后再利用橡胶材料或者热膨胀系数较高的高分子材料进行浇注后脱模制备而成；

4)格栅结构增强层的成型采用将上述得到的软体格栅结构模具利用胶粘方法粘在缠绕纤维增强树脂基复合材料后的气瓶内衬外表面，然后对纤维采用非牛顿流体浸渍、干燥炉干燥的工艺处理，然后再进行浸胶，随后在软体格栅结构模具上进行缠绕成型，缠绕成型固化后再将软体格栅结构模具进行拆卸；

如图3所示，具体地是将纤维束在外力牵引下匀速地浸入充满非牛顿流体的浸胶槽之中，浸渍后的纤维通过干燥炉进行干燥处理，干燥处理后的纤维在外力牵引下通过充满树脂的另一槽中，浸渍后的纤维束在导丝头的牵引下缠绕到气瓶表面。

5)采用缠绕成型的方法加工制备纤维保护层；

6)采用高分子材料通过发泡工艺制备防撞材料。

所述的气瓶内衬采用金属材质或者塑料材质：金属材质的气瓶内衬采用旋压的一次成型工艺；塑料材质的气瓶内衬采用吹塑成型的一次成型工艺或者利用注塑成型方法将气瓶内衬本身分成两半后再利用焊接的方法拼接成完整的结构。

所述的非牛顿流体是由聚乙二醇、纳米二氧化硅及少量的碳酸钙所组成的，制备方法及材料的选择按照以下进行：选用聚乙二醇的分子量为200-800之间，所用的纳米二氧化硅颗粒的粒径大小为5-100nm之间，纳米二氧化硅颗粒的用量为聚乙二醇的质量百分比20-70％之间，所用的碳酸钙颗粒的尺寸大小为30-50nm，碳酸钙颗粒的用量为聚乙二醇质量百分比的1-10％之间；制备过程是将称量好的纳米二氧化硅颗粒和碳酸钙颗粒分次逐步地加入到搅拌状态下的聚乙二醇之中，待全部的纳米二氧化硅和碳酸钙颗粒加入之后，静止和抽真空处理除去多余的气泡，随后加入乙醇进行稀释得到非牛顿流体。

所述的缠绕成型工艺选择干法缠绕或者湿法缠绕，所用的树脂体系为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等。

所述的格栅结构增强层的软体格栅结构模具采用橡胶或高分子材料在模具中浇注而成。

所述的软体格栅结构的成型模具采用金属材料经过机械加工制作而成。

本发明的储氢压力容器是由气瓶内衬以及与内衬连接在一起的气瓶开口端和气瓶尾部、包裹在内衬外层的纤维增强树脂基复合材料、非牛顿流体浸渍的纤维树脂基格栅结构增强层和包裹在格栅结构外层的纤维保护层所组成。

本发明将非牛顿流体引入格栅增强型储氢压力容器的缠绕成型过程中可以进一步地提高格栅结构增强层的抗冲击性能，从而整体上提高复合材料气瓶的性能。

本发明将格栅结构应用在储氢瓶上有望提高储氢瓶的抗冲击性能和刚度，同时还可以实现低成本和轻量化的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、高刚度、抗冲击性能好：采用格栅结构对气瓶的整体进行加强，格栅结构增强层具有抗失稳能力强，结构稳定性好的特点，大大提高了气瓶在使用过程中的抗冲击性能，从而提高了气瓶的安全性。

2、质量轻、低成本、储气密度高：本发明采用格栅结构增强层对气瓶进行增强，在相同厚度的条件下可以大大减少碳纤维的用量，因此制备的气瓶具有质量轻、低成本和储气密度较高的优势。

3、格栅结构增强层所用的碳纤维在成型之前采用非牛顿流体浸渍和干燥的处理工艺，处理后可以有效地阻隔了裂纹的扩展，增大了裂纹扩展所需要的能量，从而进一步地提高了气瓶的抗冲击性能，此外格栅结构增强层的抗失稳能力得到了增强，从而提高了气瓶的安全性能。

附图说明

图1是本发明的储氢压力容器结构剖面示意图。

图2是储氢压力容器内部的格栅结构示意图。

图3是储氢压力容器缠绕过程中非牛顿流体浸渍、干燥及缠绕过程示意图。

图中1、格栅结构增强层，2、金属气瓶开口端，3、气瓶内衬，4、纤维树脂增强层，5、纤维保护层，6、金属气瓶尾端，7、防撞材料，8、单卷纤维束，9、浸胶槽，10、非牛顿流体，11、干燥炉，12、树脂，13、导丝头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的一种技术方案作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，气瓶表面的格栅结构形状如图所示，包括气瓶内衬3、金属气瓶开口端2和金属气瓶尾端6，气瓶内衬3的两端分别连接安装金属气瓶开口端2和金属气瓶尾端6，还包括预应力缠绕于气瓶内衬3、金属气瓶开口端2和金属气瓶尾端6外侧表面的纤维增强树脂基复合材料4，在纤维增强树脂基复合材料4外侧表面继续缠绕的格栅结构增强层1，进一步在格栅结构增强层1外侧表面缠绕有的纤维保护层5，以及在两端封头处的纤维保护层5外侧表面外设置的防撞材料7。

非牛顿流体10是由聚乙二醇、纳米二氧化硅及少量的碳酸钙所组成的，制备方法及材料的选择按照以下进行：选用聚乙二醇的分子量为200-800之间，所用的纳米二氧化硅颗粒的粒径大小为5-100nm之间，纳米二氧化硅颗粒的用量为聚乙二醇的质量百分比20-70％之间，所用的碳酸钙颗粒的尺寸大小为30-50nm，碳酸钙颗粒的用量为聚乙二醇质量百分比的1-10％之间；制备过程是将称量好的纳米二氧化硅颗粒和碳酸钙颗粒分次逐步地加入到搅拌状态下的聚乙二醇之中，待全部的纳米二氧化硅和碳酸钙颗粒加入之后，静止和抽真空处理除去多余的气泡，随后加入乙醇进行稀释得到非牛顿流体。

本实施案例中内衬所用材料为尼龙66材质，本实施案例中纤维增强树脂基复合材料4、格栅结构增强层1及纤维保护层5选用的纤维树脂体系为T700S/环氧树脂体系；格栅结构增强层10成型所用软体模具为硅橡胶材质，在成型过程中硅橡胶材料受热膨胀将有助于格栅结构增强层的成型。

实施案例的压力容器结构及制造工艺情况如下：

1)首先将内衬结构分为两半，每一半利用注塑成型工艺加工而成，对塑料内衬表面进行聚四氟乙烯涂层的表面处理，以减缓氢气的渗透，再利用焊接的方法拼接成一个完整的塑料内衬。

2)内衬表面全缠绕一定层数的碳纤维树脂基复合材料4，在纤维树脂基复合材料4的外层的封头处和瓶身处分别粘接有软体格栅结构的成型模具，随后进行缠绕成型，成型具有一定厚度的格栅结构增强层1后拆除软体格栅结构模具，在格栅结构增强层1成型之前对所用碳纤维采用非牛顿流体浸渍10及干燥11的工艺处理。随后再对气瓶外部继续缠绕一定层数的纤维保护层5。本实施案例中碳纤维树脂基复合材料4的层数为10层，格栅结构增强层1的层数为22层，纤维保护层5的层数为10层。

3)软体格栅结构模具的成型采用将硅橡胶材料浇注到金属格栅结构模具中固化成型。