一种大直径复合材料高压容器及其制作方法与流程

本技术涉及存储液体或气体的高压容器的，更具体地说，涉及一种大直径复合材料高压容器及其制作方法。

背景技术：

1、大型容器从结构形式上可分为四类：第一类是全金属型容器；第二类是金属内衬环向缠绕复合材料增强型复合压力容器；第三类是全缠绕复合材料立式储罐，是大型容器的主要表现形式；第四类是塑料内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器。

2、由于复合容器不仅兼顾了金属内衬的良好加工性、气密性、耐蚀性、高强度、高韧性等特点，又综合了复合材料重量轻、安全性好以及良好的可设计性等优点，使其具有强度好、质量轻、耐腐蚀等优良性能。复合容器比钢质压力容器的重量可减轻1/3-2/3；同时，复合材料在受到撞击或高速冲击发生破坏时，不会产生具有危险性的碎片，从而降低或避免了对人员的伤害，复合容器比金属容器具有更好的使用安全性。

3、纤维缠绕复合压力容器实体结构是由内衬层、纤维缠绕增强层和外保护层组成。复合容器中增强层承担绝大部分的压力载荷，纤维是复合材料的主要承载部分。目前常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（kevlar）纤维等，主要产品形式为无捻纱。

4、储罐是上述大型容器常见的一种表现形式。相关技术中，储罐的成型工艺为二维定长缠绕筒体，封头单独成型，缠绕过程中纱线张力不控制，筒体与封头两者连接形成储罐，该成型工艺易形成圆筒状，各层张力无法按要求控制，工艺误差大，不耐压以及存在滴漏的缺陷。储罐形状复杂时，则需要多次单独成型，多次组装。

技术实现思路

1、本技术提供一种大直径复合材料高压容器及其制作方法。

2、本技术提供的制作方法制得的大直径1.6-4m、耐压容器容积大至50-200m³、耐压强度高达10mpa。制作过程中，容器封头、筒体和极孔一体化成型，容器内可储存水、压缩空气、溶剂和化工液体等，储存密度高、储存周期长，摆脱地理条件约束，应用于能源、储能、蓄能等领域，可大规模推广应用。

3、本技术采用复合材料多维（≥4维）缠绕成型工艺，采用了高精度全闭环计算机编程逻辑控制，伺服电机等张力或可变张力控制缠绕纱的张力。实现输入参数后，所有制品线型自动生成，可模拟运行全部工艺，在计算机里自动生成、自动完成，整个制品缠绕过程，做到一气呵成。

4、本技术的制作方法适用于球体、各种大小尺寸不一的极孔罐体、各种型号的椎体、圆柱体、椭圆筒体、方形筒体、多棱筒体、组合体等。

5、本技术制作方法中的缠绕方法选择的增强材料可以是玻璃纤维合股纱、碳纤维纱、玻璃纤维或者碳纤维经编织物，选择的树脂可以是环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯树脂、环氧乙烯基酯树脂，酚醛树脂等高性能缠绕专用树脂。

6、第一方面，本技术提供一种大直径复合材料高压容器的制作方法，采用如下的技术方案：

7、一种大直径复合材料高压容器的制作方法，所述制作方法的步骤具体如下：在plc控制系统的作用下，利用多维缠绕机以模具为基础，将浸润过树脂溶液的纤维丝缠绕成型，分别制作所述高压容器的内衬层和结构层，进而制得所述高压容器；

8、所述纤维丝和所述树脂溶液使用的重量比为100:30-45；

9、所述纤维丝包括玻璃纤维、s高强纤维、凯夫拉尔纤维、碳纤维、玄武岩纤维和陶瓷纤维；

10、所述模具为封头、筒体和极孔一体化成型的模具。

11、本技术通过采用一体成型的模具以及控制纤维丝和树脂溶液的体积比，从而提高制得的高压容器的耐压强度。

12、本技术的制作方法中采用一体成型的模具进行高压容器的制作，而现有技术采用容器各部分分别利用模具成型后，再进行缠绕组装制得高压容器的方式。相比之下，由于先分别成型再组装的方式中各部分之间的连接处由于密封性较差，故不能承受较大的压力强度，影响了高压容器整体的耐压强度。而选择一体成型的模具有效克服了上述缺陷，从而能够进一步提高制得的高压容器的耐压强度。

13、可选地，所述纤维丝包括若干纤维单元。

14、可选地，所述纤维单元的中间为碳纤维或玻璃纤维，外周利用玄武岩纤维螺旋环向紧密缠绕。

15、本技术通过引入玄武岩纤维，并调整组成纤维丝的纤维单元的结构以及树脂溶液的比例，从而进一步提高制得的高压容器的耐压强度。相比纤维丝中未引入玄武岩纤维的高压容器，纤维丝中引入玄武岩纤维后的高压容器的耐压强度提高了7倍以上。

16、可选地，所述纤维丝由若干纤维单位组成，纤维丝为中间为玻璃纤维单元、外周为碳纤维单元的混合结构。

17、可选地，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（6-10）。

18、在一个具体的实施方式中，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：5、1：6、1：8、1：10、1：12。

19、在一些具体的实施方式中，所述碳纤维单元和玻璃纤维单元的体积比为1：（5-6）、1：（5-8）、1：（5-10）、1：（5-12）、1：（6-8）、1：（6-10）、1：（6-12）、1：（8-10）、1：（8-10）、1：（10-12）。

20、本技术中，纤维丝中采用碳纤维单元和玻璃纤维单元时制得的高压容器的耐压强度较高，而中间用玻璃纤维代替碳纤维或外周用碳纤维替换玻璃纤维时制得的高压容器的耐压强度均明显降低。由此可知，纤维丝的中间为碳纤维单元和外周为玻璃纤维单元的结合，能够有效提高制得的高压容器额耐压强度。

21、可选地，所述树脂溶液为双组份环氧树脂或者酚醛树脂的溶液。

22、可选地，所述双组份环氧树脂的混合质量比为1：1。

23、环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

24、环氧树脂原料丰富、工艺简单、价格适中，环氧树脂对玻璃纤维的粘结力较好，固化方便、力学性能好。

25、另外，环氧树脂是指分子中含有两个或多个环氧基团的树脂的总称，用于复合材料的品种大致有以下4类：二酚基丙烷型环氧树脂，即e型或称双酚a型；酚醛多环氧树脂，即f型；脂环族环氧树脂；其他工业环氧树脂。

26、本技术中，碳纤维和玻璃纤维表面都做了螺旋缠绕，从而环氧树脂作为和玻璃纤维或碳纤维之间的粘结介质，制得的高压容器同时具备环氧树脂优异的耐压强度和玻璃纤维优异的支撑强度。

27、相比之下，用环氧树脂代替酚醛树脂或不饱和聚酯树脂时，制得的高压容器的耐压强度高于利用酚醛树脂和不饱和聚酯树脂的树脂溶液制得高压容器的耐压强度。原因是环氧树脂与纤维两者结合较好，且环氧树脂在一定的条件下可长时间操作，其中的活泼的环氧基团与多种固化剂发生交联反应，形成力学性能非常优异的纤维增强热固性塑料结构。

28、第二方面，本技术提供一种大直径复合材料高压容器，其利用上述制作方法制得。

29、综上所述，本技术具有以下有益效果：

30、本技术提供的制作方法制得的大直径1.6-4m、耐压容器容积大至50-200m³、耐压强度高达10mpa。制作过程中，容器封头、筒体和极孔一体化成型，容器内可盛水、压缩空气、溶剂和化工液体等，储存密度高、储存周期长，摆脱地理条件约束，可大规模推广应用；

31、本方法可以做到不同形状、不同尺寸的容器筒身与封头的一体高精度成型，缠绕过程中各层张力单独控制，精确调整树脂含量，通过使用混胶机混合树脂保证树脂满足使用量基本不浪费，工艺灵活，整体操作简单对工人要求不高。