碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法与流程

1.本发明涉及一种碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法，属于储氢罐制造过程中的碳纤复合材料编织成型方法应用。


背景技术：

2.氢气和甲烷是清洁燃料，特别是氢气，燃烧后的产物是水蒸气，不会对环境造成污染和危害。而氢气作为一种燃料面临较大的问题是氢气的储存，目前氢气使用的关键问题在于安全储存氢气，主要的储存方法有三种：(1)吸附储氢，主要是利用储氢材料对氢气进行吸附，以达到储存氢气的目的；(2)低温液化储氢，该方法单位体积容器的储存量大，但是需要较低的温度；(3)高压储氢，该方法对储氢罐的要求较高，需要储氢罐具备较高的强度和抗变形能力。
3.碳纤复材是一种强度高、质量轻的优质材料，能够满足储氢罐储氢的需要。制作碳纤复材储氢罐的重要一步是制作储氢罐预成型体，预成型体结构直接影响碳纤复材储氢罐性能。
4.在储氢罐预成型体制作过程中，目前普遍采用的方法是纤维缠绕，就是围绕储氢罐芯模进行横向缠绕和纵向缠绕的方式。在纤维缠绕制作储氢罐预成型体过程中，预成型体的最外层总是沿着横向或者纵向某一个单一的方向，不能形成纵横交织的纤维排列顺序。这就造成了储氢罐罐体在横向或者纵向方向上存在着应力集中的现象，而采用编织的形式能够使得各个方向上应力均匀，有利于提高储氢罐的结构稳定性。除此之外，目前储氢罐的编织还存在以下技术难题：
5.当固态储氢罐充入氢气时，储氢材料吸收氢气放热，在这个过程中如果热量不能及时散出，就会对储氢材料造成较大的影响，导致吸氢速率下降甚至停止吸氢。此外，储氢材料位于储氢本体内，以粉末的形式存在，粉末直径越小，其传导热量的性能越低。储氢材料在储氢罐中通过吸收和释放氢气产生晶格的膨胀和收缩，在这种应力循环的作用下，储氢粉末进一步变细，导热性能变差。如何设计储氢罐体，使得储氢罐体能够对热传导特性进行调节，是储氢罐体需要解决的主要问题。
6.储氢罐体需要具备快速的热传导特性，热量在储氢罐体内积累，对罐体的力学性能要求较高，制造力学性能优异、具有良好热变形适应性的储氢罐对于提高储氢罐储氢性能具有重要的作用。传统的储氢罐预成型体采用缠绕成型的方式，导致纤维的厚度不均匀，由于碳纤维复材属于各向异性材料，从而导致储氢罐体受力失衡，影响材料整体的力学性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种力学性能优异、具有良好热变形适应性的储氢罐。
8.为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法，其特征在于，编织成型过程包括以下步骤：
9.在三维编织机上完成碳纤复材储氢罐预成型体的编织，编织时，将储氢罐内胆充当储氢罐芯模，编织过程中，储氢罐芯模在三维编织机的编织环中沿碳纤复材储氢罐预成型体中心轴线往复水平运动，集缠绕与编织两种方法于一体完成碳纤复材储氢罐预成型的编织；当碳纤复材储氢罐预成型体在三维编织机上完成一个行程时，改变储氢罐芯模的牵引方向，储氢罐芯模在下一个行程中向着与上一个行程相反的方向移动，继续进行编织，直至碳纤复材储氢罐预成型体达到预定的编织厚度为止。
10.优选的，编织过程中，在所述储氢罐芯模的表面先进行内层正向纤维的编织，再进行纤维的缠绕，缠绕完成后进行外层反向纤维的编织，并且纤维的编织存在方向，定义纤维缠绕的内部编织方向为正向，纤维缠绕外层编织方向为反向。
11.优选的，基于内部有储氢罐内胆的碳纤复材储氢罐预成型体制作得到储氢罐体，储氢罐体表面包覆着内层正向纤维、缠绕纤维和外层反向纤维，碳纤维均匀覆盖在储氢罐体的表面；
12.储氢罐内胆内有导气管，导气管位于储氢罐体的中轴上；导气管的两端分别与位于储氢罐体两端的阀门内的过滤器相连。
13.优选的，所述储氢罐内胆采用导热材料。
14.优选的，所述导气管的长度能够根据储氢罐体的体积进行调整。
15.优选的，所述过滤器的过滤精度为0.5μm。
16.本发明提供的一种碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法，对于储氢罐预成型体的制作具有重要作用。碳纤复合材料能够提高储氢罐体的热传导性能，解决储氢罐储氢和放氢中热量释放的问题。碳纤复材储氢罐预成型体编织成型能够提高复材储氢罐预成型体编织效果，使罐体材质分布均匀，保证在储氢罐预成型体编织过程中不同部位具有良好的包覆性，减少缠绕成型或铺层成型带来的储氢罐罐体受力不均匀现象，避免储氢罐出现应力集中，从而避免储存的氢气对罐体产生的应力集中导致罐体变形，延长储氢罐的使用寿命。
附图说明
17.图1为碳纤复材储氢罐预成型体剖视图；
18.图2为碳纤复材储氢罐预成型体示意图；
19.图3为碳纤复材储氢罐预成型体编织过程示意图；
20.图4为碳纤复材储氢罐预成型体横截面剖视图；
21.图5为碳纤复材储氢罐预成型体截面剖视放大图。
22.图中：1.储氢罐体，2.导气管，3.储氢罐内胆，4.碳纤维，5.过滤器，6.阀门，7.编织层，8.储氢罐芯模，9.编织环，10.三维编织机，11.内层正向编织纤维，12.缠绕纤维，13.外层反向编织纤维。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定
的范围。
24.如图1所示，本发明公开了一种碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法，包括以下步骤：
25.根据碳纤复材储氢罐预成型体进行尺寸设计；在三维编织机10上完成碳纤复材储氢罐预成型体的编织，编织时，将储氢罐内胆3充当储氢罐芯模8，编织过程中，储氢罐芯模8在三维编织机10的编织环9中沿碳纤复材储氢罐预成型体中心轴线往复水平运动，在储氢罐芯模8的表面先进行内层正向纤维11的编织，再进行缠绕纤维12的编织，最后进行外层反向纤维13的编织，即本发明集缠绕与编织两种方法于一体，首先在储氢罐芯模8表面进行正向纤维编织，然后进行纤维缠绕，最后进行碳纤维反向编织，并且纤维的编织存在方向，定义纤维缠绕的内部编织方向为正向，纤维缠绕外层编织方向为反向。从储氢罐头部开始，编织到尾部结束为一个行程，当碳纤复材储氢罐预成型体在三维编织机10上完成一个行程时，采用轧带或胶纸固定收尾，然后改变储氢罐芯模8的牵引方向，储氢罐芯模8在下一个行程中向着与上一个行程相反的方向移动，继续进行编织，循环往复，达到内层预定厚度之后进行纤维缠绕，最后再对缠绕后的外层进行反向编织，直至碳纤复材储氢罐预成型体达到预定的编织厚度为止。
26.基于内部有储氢罐内胆3的碳纤复材储氢罐预成型体制作得到储氢罐体1，储氢罐体1表面包覆着内层正向纤维11、缠绕纤维12和外层反向纤维13，碳纤维4均匀覆盖在储氢罐体1的表面，避免单一方向的缠绕导致储氢罐外表面纤维分布不均的现象，提高了储氢罐预成型体纤维包覆性。储氢罐体1内部的储氢罐内胆3采用导热性能较好的铜铝等金属，导热材料能够增强储氢和放氢过程中的传热效果，同时能够保证储氢罐体1的安全性能。
27.储氢罐内胆3内有导气管2，导气管2位于储氢罐体1的中轴上，其长度可以根据储氢罐体1的体积进行调整。导气管2的两端分别与位于储氢罐体1两端的阀门6内的过滤器5相连，过滤器5的过滤精度为0.5μm，能够过滤掉储氢罐体1内细微颗粒的杂质。
28.本发明采用的碳纤复材储氢罐预成型体编织成型方法，大幅提高了储氢材料的传热性能，保证了碳纤维在储氢罐体的编织均匀度和包覆性，减少了储氢材料吸氢后的应力集中，有效提高了储氢罐的使用寿命和安全性能。