本实用新型涉及新型复合材料耐压容器领域，特别是指一种智能监控三维复合材料耐压气瓶。
背景技术：
与传统的压力容器及介质储罐相比，复合材料材质的耐压容器重量轻、刚性好、耐腐蚀、对外力冲击的抵抗能力较强，而且可以根据工况条件的要求进行外型的灵活设计，以复合材料为材质的耐压容器已经广泛替代金属耐压容器应用与船舶、汽车、医疗卫生、化工等各个行业中。
目前的复合材料压力容器主要采用纤维二维缠绕工艺制备，这种环向缠绕的复合材料纤维增强结构具有较强的抵抗内压的优点，而且耐压容器的内部往往嵌入金属密封内胆，通过金属与复合材料材质的混合使用可以在密封性和高强度二者之间找到综合特性发挥的最佳工艺技术结合点。但是从二维缠绕的复合材料材质的应用来看，层间的力学性能弱点逐渐凸显，在应用过程中的泄漏或者承压条件下的破坏主要都是在层间产生，因此改变目前环向缠绕的二维纤维结构已经非常必要。
从目前的应用来看，三维编织结构的复合材料耐压气瓶的稳定性和力学特性的发挥直接提高了其使用寿命和耐压级别，具有非常巨大的应用潜力，但是随着应用要求的不断能提高和应用领域的不断扩大，要发挥这种三维编织结构耐压气瓶的使用稳定性和质量均一性，必须对不同复杂工况条件下和使用过程中的耐压气瓶的承压状态以及气瓶复合材料结构的应变特性实时进行监控，因此就需要对三维复合材料结构的耐压气瓶结构进行功能特性的改性和提升，以达到有效监控耐压状态，进而达到预测使用寿命或者危险报警的目的。
技术实现要素：
本实用新型提供一种智能监控三维复合材料耐压气瓶，该耐压气瓶既消除了二维复合材料层间力学薄弱点，又可实时监控耐压气瓶使用过程中不同部位的微小形变量，预测耐压气瓶的使用寿命和危险报警。
为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：
一种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。
进一步的，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。
进一步的，金属内胆的形状及厚度根据工况条件和耐压级别要求可灵活调整，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。
进一步的，所述塑形界面层的纤维增强热塑性树脂基体复合材料中树脂含量为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。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型中，使用了三维编织排布结构，在二维编织技术的基础上增加了层间的纤维贯穿强化，使纤维结构在压力气瓶的厚度面上具有立体结构，通过缝合在层间的增强纤维有效提高了气瓶厚度方向上的复合材料结构整体性，消除层间力学薄弱点，同时，在三维编织结构中引入应变感应装置，可实时监控耐压气瓶在使用过程中的不同部位的微小形变量，以达到预测使用寿命和危险报警的目的。
附图说明
图1为本实用新型的智能监控三维复合材料耐压气瓶的整体结构示意图；
其中，1：金属内胆层；2：塑形界面层；3：表面三维编织复合材料层；4：介质出入口；5：应变感应装置。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本实用新型提供一智能监控三维复合材料耐压气瓶，如图1所示，包括金属内胆层1、塑形界面层2、表面三维编织复合材料层3和位于气瓶一端的介质出入口4，其中：
金属内胆层1为整体无缝结构；
塑形界面层2位于金属内胆层1和表面三维编织复合材料层3的中间，用以保证两种材质之间的膨胀变形引起界面脱粘，塑形界面层2为纤维增强热塑性树脂基体复合材料，塑形界面层2的厚度可根据工况条件和要求的耐压级别进行灵活调整，塑形界面层2设置有应变感应装置5，该应变感应装置5设置在塑形界面层2的厚度中间位置；
表面三维编织复合材料层3位于耐压气瓶最外表面，表面三维编织复合材料层3包括筒身段和封头段，表面三维编织复合材料层3也设置有应变感应装置5，该应变感应装置5设置在表面三维编织复合材料层3的厚度中间或表面位置。
本实用新型中，使用了三维编织排布结构，在二维编织技术的基础上增加了层间的纤维贯穿强化，使纤维结构在压力气瓶的厚度面上具有立体结构，通过缝合在层间的增强纤维有效提高了气瓶厚度方向上的复合材料结构整体性，消除层间力学薄弱点，同时，在三维编织结构中引入应变感应装置，可实时监控耐压气瓶在使用过程中的不同部位的微小形变量，以达到预测使用寿命和危险报警的目的。
优选的，金属内胆层1的材质为不锈钢、铝合金、钛合金中的一种，金属内胆层1的外表面设置有螺纹状沟槽(未示出)，螺纹状沟槽的深度为1～3mm，应变感应装置5为光纤、光栅、磁栅、应变片中的一种或几种组合，应变感应装置5的数量为一个或多个。螺纹状沟槽有利于增加界面强度，应变感应装置可根据实际情况适当选择其种类。
进一步的，金属内胆的形状及厚度根据工况条件和耐压级别要求可灵活调整，金属内胆层1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。
另一方面，本实用新型还提供一种智能监控三维复合材料耐压气瓶的制备方法，包括金属内胆的制备、塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋、表面三维编织复合材料层的加工及应变感应装置的引入以及热固化成型和后处理。
金属内胆的制备中，金属内胆以不锈钢、铝合金、钛合金中的一种金属材质冲压成型，然后在金属内胆外表面制备深度为1～3mm的螺纹状沟槽。
塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋中，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腔中，冷却成型并脱模；其中，纤维长度为10～50mm，纤维包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为碳纤维，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，主体纤维和辅助纤维的重量比为4∶1～10∶1，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，应变感应装置在塑形界面层的引入形式以应变片为主，也可选用光纤、光栅、磁栅，同步埋入其厚度中间位置，应变片数量沿着耐压容器的外轮廓均匀分布，沿截面环向均匀分布。
表面三维编织复合材料层的加工及应变感应装置的引入中，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按重量比2∶1～10∶1混合树脂基体，通过三维编织得到三维预制体，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，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，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，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；其中，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，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，应变感应装置在表面三维编织复合材料层中可选用应变片、光纤、光栅、磁栅预埋方式，预埋工序与表面三维编织复合材料层加工同步进行，预埋分布特性与塑形界面层一致，预埋位置可位于该层厚度中间或表面位置。
热固化成型和后处理中，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；后处理是在无外压作用下，放入烘箱加热至80～110℃，加热时间为2～4h。
以下实施例进一步说明本工艺的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本实用新型范围的限制。
实施例1：
一种智能监控三维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)金属内胆的制备：金属内胆以不锈钢为材质进行冲压成型，金属内胆厚度为5mm，在金属内胆成型后，在其外表面制备深度为1mm的螺纹状沟槽；
(2)塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋：采用含量为40％的聚氨脂树脂为树脂基体，与纤维进行混合，通过机械搅拌混合均匀，纤维平均长度为10mm，纤维包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为碳纤维，辅助纤维为碳化硅纤维，碳纤维和碳化硅纤维的重量比为4∶1；采用注射成型工艺加工塑形界面层，将不锈钢内胆固定在模具中，同时将应变片固定在模具型腔的特定位置，通过注射成型将上述混合均匀的纤维树脂熔融体注射至模腔中，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碳纤维和辅助纤维芳纶纤维按重量比2∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为30％的环氧树脂，通过三维四向编织工艺编织三维预制体，三维预制体成型之后通过缝合进行二次强化，筒身段的厚度为8mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其筒身段长度为1m，每20cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入5个应变片；封头段的制备是将主体纤维碳纤维和辅助纤维玻璃纤维按重量比3∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为30％的环氧树脂，通过三维六向编织工艺编织三维预制体，封头段与筒身段结合的边缘采用三维七向纤维编织技术成型，封头段的厚度为8mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其封头段长度为1m，每20cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入5个应变片；
(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，固化过程采用梯度升温工艺，先在80℃保温30min，之后升温至130℃保温2h；最后进行后处理，在无外压作用下，放入烘箱加热至80℃，时间为2h。
实施例2：
一种智能监控三维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)金属内胆的制备：金属内胆以铝合金为材质进行冲压成型，金属内胆厚度为4mm，在金属内胆成型后，在其外表面制备深度为1mm的螺纹状沟槽；
(2)塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋：采用含量为40％的聚丙烯树脂为树脂基体，与纤维进行混合，通过机械搅拌混合均匀，纤维平均长度为20mm，纤维包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为碳纤维，辅助纤维为氧化铝纤维，碳纤维和氧化铝纤维的重量比为5∶1；采用注射成型工艺加工塑形界面层，将铝合金内胆固定在模具中，同时将应变片固定在模具型腔的特定位置，通过注射成型将上述混合均匀的纤维树脂熔融体注射至模腔中，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碳纤维和辅助纤维UHMWPE纤维按重量比3∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为30％的环氧树脂，通过三维五向编织工艺编织三维预制体，三维预制体成型之后通过缝合进行二次强化，筒身段的厚度为9mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4.5mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其筒身段长度为1.5m，每20cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入6个应变片；封头段的制备是将主体纤维碳纤维和辅助纤维玄武岩纤维按重量比3∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为30％的环氧树脂，通过三维六向编织工艺编织三维预制体，封头段与筒身段结合的边缘采用三维七向纤维编织技术成型，封头段的厚度为9mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4.5mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其封头段长度为1.5m，每20cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入6个应变片；
(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，固化过程采用梯度升温工艺，先在80℃保温1h，之后升温至130℃保温1h；最后进行后处理，在无外压作用下，放入烘箱加热至100℃，时间为2h。
实施例3：
一种智能监控三维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)金属内胆的制备：金属内胆以钛合金为材质进行冲压成型，金属内胆厚度为3mm，在金属内胆成型后，在其外表面制备深度为1mm的螺纹状沟槽；
(2)塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋：采用含量为30％的聚苯硫醚树脂为树脂基体，与纤维进行混合，通过机械搅拌混合均匀，纤维平均长度为20mm，纤维包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为碳纤维，辅助纤维为玄武岩纤维，碳纤维和玄武岩纤维的重量比为5∶1；采用注射成型工艺加工塑形界面层，将钛合金内胆固定在模具中，同时将应变片固定在模具型腔的特定位置，通过注射成型将上述混合均匀的纤维树脂熔融体注射至模腔中，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碳纤维和辅助纤维芳纶纤维按重量比2∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为20％的酚醛树脂，通过三维四向编织工艺编织三维预制体，筒身段的厚度为6mm，在三维预制体制备过程中在其厚度表面位置的纱线中引入光纤，三维预制体成型之后通过缝合进行二次强化；封头段的制备是将主体纤维碳纤维和辅助纤维玻璃纤维按重量比10∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为40％的酚醛树脂，通过三维六向编织工艺编织三维预制体，封头段的厚度为6mm，在三维预制体制备过程中在其厚度表面位置的纱线中引入光纤，封头段与筒身段结合的边缘采用三维七向纤维编织技术成型；
(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，固化过程采用梯度升温工艺，先在80℃保温1h，之后升温至140℃保温30min；最后进行后处理，在无外压作用下，放入烘箱加热至110℃，时间为2h。
实施例4：
一种智能监控三维复合材料耐压气瓶的具体制备方法，步骤如下：
(1)金属内胆的制备：金属内胆以铝合金为材质进行冲压成型，金属内胆厚度为4mm，在金属内胆成型后，在其外表面制备深度为1.5mm的螺纹状沟槽；
(2)塑形界面层的制备及应变感应装置的预埋：采用含量为35％的聚丙烯树脂为树脂基体，与纤维进行混合，通过机械搅拌混合均匀，纤维平均长度为22mm，纤维包括主体纤维和辅助纤维，主体纤维为碳纤维，辅助纤维为碳化硅纤维，碳纤维和碳化硅纤维的重量比为5∶1；采用注射成型工艺加工塑形界面层，将铝合金内胆固定在模具中，同时将应变片固定在模具型腔的特定位置，通过注射成型将上述混合均匀的纤维树脂熔融体注射至模腔中，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碳纤维和辅助纤维碳化硅纤维按重量比4∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为50％的环氧树脂，通过三维四向编织工艺编织三维预制体，三维预制体成型之后通过缝合进行二次强化，筒身段的厚度为8mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其筒身段长度为2m，每25cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入4个应变片；封头段的制备是将主体纤维碳纤维和辅助纤维芳纶纤维按重量比6∶1混合树脂基体，该树脂基体为含量为30％的环氧树脂，通过三维六向编织工艺编织三维预制体，封头段与筒身段结合的边缘采用三维七向纤维编织技术成型，封头段的厚度为8mm，在三维预制体的制备过程中在其厚度4mm位置预埋应变片，应变片数量沿着耐压气瓶容器的外轮廓均匀分布，其封头段长度为1m，每20cm埋入一组应变片，沿着截面环向均匀分布，截面内平均分布埋入6个应变片；
(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，固化过程采用梯度升温工艺，先在75℃保温50mim，之后升温至125℃保温2h；最后进行后处理，在无外压作用下，放入烘箱加热至90℃，时间为2h。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。