專利名稱：高性能壓力容器及壓力容器用碳纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作高壓氣體用儲存容器等的壓力容器以及用于該容器的碳纖維。
本申請針對2003年8月28日申請的日本國專利申請第2003-305228號主張優(yōu)先權(quán)，在此引用其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
以往，作為高壓氣體的儲存容器，一般使用鋼鐵制的容器。
但是，由于鋼鐵制的儲存容器的重量大，移動、運輸?shù)葧r需要巨大的勞力。
例如，對于使用氣體燃料的汽車，為了降低車輛的重量，抑制燃料消耗量，正在謀求燃料儲存容器的輕量化。
在這種情況下，用高壓氣體的儲存容器代替以往的鋼鐵制，正在逐漸使用具有由強化纖維增強了樹脂、金屬制的襯材(容器本體)的復(fù)合材料的壓力容器。這種具有纖維強化復(fù)合材料的壓力容器可以提高填充壓力，并且使輕量化成為可能。
在制造具有該纖維強化復(fù)合材料的壓力容器的過程中，作為卷繞強化纖維用的代表性方法，有長纖維卷繞法(以下稱為FW法)。
該方法是將浸透了樹脂的連續(xù)強化纖維卷繞在襯材(容器本體)上，隨后通過使樹脂固化來制造具有纖維強化復(fù)合材料的壓力容器的方法。
通過采用該FW方法，可以容易地制造壓力容器。但是，在制造例如破裂壓力(破壞壓力)為超過65MPa的高壓的壓力容器時，有強化纖維強度體現(xiàn)率降低的傾向。為此，作為對策需要卷繞厚的強化纖維，其結(jié)果存在容器重量變大的問題。
因此，在特開平8-285189號公報中，提出使用了拉伸強度大于等于5500MPa的碳纖維的壓力容器。對于該壓力容器，為了獲得高的填充壓力，使用了具有高強度的強化纖維。另外，在特開平9-280496號公報中，公開了通過使用彈性模量為200GPa～350GPa、且強度為4.5GPa～10GPa的碳纖維，謀求高性能化的容器。
但是，上述的現(xiàn)有壓力容器雖然可以獲得充分的破壞壓力，但是可以舉出如下所述的其他問題。
作為壓力容器所要求的特性，不僅破壞特性，而且疲勞特性也重要。
特別是使用了具有鋁等金屬的襯材(容器本體)的壓力容器，通過在高壓下進行自緊處理，可以對襯材產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。通過進行自緊處理使該壓縮應(yīng)力處在襯材的線性特性范圍內(nèi)，可以提高疲勞特性。但是，重視對襯材產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力而設(shè)計出的壓力容器時，有時要在必要以上降低破壞壓力。另一方面，重視破壞壓力而設(shè)計出的壓力容器時，變得不能加上必要的壓縮應(yīng)力。其結(jié)果是，為了獲得合適的壓力容器，必須增加強化纖維的使用量，存在容器重量增大等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供疲勞特性和破裂特性兩種特性優(yōu)異、并且輕量的壓力容器以及用于該壓力容器的強化纖維。
本發(fā)明為壓力容器，其具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大于等于305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。
根據(jù)上述發(fā)明，可以提供容器特性不偏的，而是疲勞特性和破裂特性兩種特性均優(yōu)異并且輕量的壓力容器。
上述強化纖維的絲束彈性模量可以為305GPa～420GPa。
上述容器本體可以為金屬制。
填充壓力可以大于等于30MPa。
本發(fā)明為壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大于等于305GPa，并且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
根據(jù)上述發(fā)明，通過在容器本體的表面形成具有浸透樹脂的纖維的纖維強化樹脂層，可以提供疲勞特性和破裂特性兩種特性均優(yōu)異并且輕量的壓力容器。
絲束彈性模量可以為305GPa～420GPa。
壓力容器用碳纖維可以具有多根平均直徑小于等于6μm的單纖維。
壓力容器用碳纖維可以具有多根在表面具有最高部和最低部的高低差大于等于40nm褶皺的單纖維。


圖1是表示本發(fā)明壓力容器一實施例的部分截面圖。
圖2A是表示壓力容器的制造方法中形成纖維強化樹脂層工序的模式圖。
圖2B是表示壓力容器的制造方法中使樹脂層固化工序的模式圖。
圖2C是表示壓力容器的制造方法中自緊處理工序的模式圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選的實施例進行說明。但是，本發(fā)明并不限定于以下的各實施例，例如也可以適宜組合這些實施例的各結(jié)構(gòu)要素。
本發(fā)明的壓力容器具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層。纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，作為該強化纖維使用特定的強化纖維。所謂特定的強化纖維是滿足絲束彈性模量大于等于305GPa、拉伸伸長率為1.45～1.70％的纖維。
強化纖維的絲束彈性模量小于305GPa時，為了獲得足夠的剛性，需要增大強化纖維的卷繞量，其結(jié)果是，形成厚壁的容器，容器重量變大。
強化纖維的拉伸伸長率小于1.45％時，由于強化纖維沒有足夠的強度，仍然必須增大強化纖維的卷繞量。因此，由于不得不厚壁化，結(jié)果形成具有重量大的過剩疲勞特性的容器。另一方面，強化纖維的拉伸伸長率大于1.70％時，強化纖維的強度是足夠的，相反，由于沒有與該強度相稱的足夠的彈性模量，從而對于纖維強化樹脂層，剛性要比其他特性過高，結(jié)果形成破裂特性過剩的容器。
關(guān)于強化纖維的絲束彈性模量的上限，可以優(yōu)選小于等于420GPa。對于絲束彈性模量大于420GPa的強化纖維，即使減少卷繞在容器本體上的復(fù)合材料的量，也可以獲得足夠的剛性，因此可以得到輕量的壓力容器。但是，得到的薄壁的壓力容器存在沖擊性能、火焰暴露性能差的問題。進而，與強化纖維中浸透的樹脂(基質(zhì)樹脂)的界面粘接性變得不充分，壓力容器的性能(耐壓性)降低。
對于使用了金屬襯材的高壓容器或者填充壓力大于等于30MPa的高壓容器，這樣的強化纖維的性能平衡變得特別重要。這是由于，對于使用金屬襯材、填充壓力大于等于30MPa的高壓容器，疲勞性能和破裂性能的平衡被破壞，容易產(chǎn)生僅某一方成為過剩性能，其結(jié)果是，為了滿足另一方的特性，需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而壓力容器的重量增加。
從而，本發(fā)明中，考慮到強化纖維的彈性模量和強度的平衡，使用具有足夠強度和與該強度相稱的彈性模量的強化纖維。通過在容器本體上形成具有這樣的強化纖維的纖維強化樹脂層，壓力容器的破裂特性、疲勞特性等特性平衡良好，并且強化纖維的使用量被抑制到最小限度，抑制了以往由壁厚引起的重量增加，可以提供浪費少的壓力容器。
作為這樣的壓力容器用強化纖維，其是絲束彈性模量大于等于305GPa、且拉伸伸長率為1.45～1.70％的纖維，例如可舉出具有這些特性的碳纖維、硼纖維等。其中優(yōu)選碳纖維。優(yōu)選絲束彈性模量大于等于310GPa，更優(yōu)選大于等于320GPa。拉伸伸長率優(yōu)選為1.50％～1.70％，更優(yōu)選為1.55％～1.70％。
進而更優(yōu)選為絲束彈性模量小于等于420GPa的碳纖維。特別是絲束彈性模量超過420GPa的碳纖維，在制造時需要超過2000℃的碳化溫度。其結(jié)果是，壓縮強度、剪切強度等容易變小，并且作為復(fù)合材料的各向異性變大，容易造成壓力容器的機械特性降低。進而也容易產(chǎn)生作為纖維的處理性差，在長纖維卷繞法等成型工序中的作業(yè)性變差等問題。
絲束彈性模量的上限值優(yōu)選為400GPa，更優(yōu)選380GPa。
進而，構(gòu)成碳纖維的單纖維更優(yōu)選是平均直徑小于等于6μm的單纖維。平均直徑越小的前驅(qū)體纖維，彈性模量的體現(xiàn)性越良好，其結(jié)果是，即使在制造相同絲束彈性模量的碳纖維束時，也可以通過更低的碳化溫度進行制造。碳化溫度低的情況，體現(xiàn)出高的絲束強度，并且剪切強度、壓縮強度也高，可以制造機械特性優(yōu)異的碳纖維束。因此，纖維直徑細的碳纖維更適宜，特別是平均直徑小于等于6μm的碳纖維，進而優(yōu)選小于等于5.5μm的碳纖維。直徑的下限沒有特別限定，但是由于纖維直徑越細，前驅(qū)體纖維的紡絲性越差，因此優(yōu)選大于等于3μm。
通常，碳纖維形成1000～50000根左右的平均直徑5～8μm左右的單纖維匯集的形態(tài)。
構(gòu)成碳纖維的各單纖維更優(yōu)選在其表面上具有最高部和最低部的高低差大于等于40nm的多個褶皺。由于該表面的褶皺，碳纖維和基質(zhì)樹脂的潤濕性提高，進而界面的粘接變得更加牢固。其結(jié)果是，可以穩(wěn)定地獲得具有優(yōu)異的機械特性的壓力容器，并可以制造品質(zhì)穩(wěn)定的壓力容器。
進而，該褶皺的最高部和最低部的高低差更優(yōu)選小于等于單纖維直徑的10％。
存在于碳纖維的單纖維表面的褶皺的深度定義為在圓周方向上長度2μm×纖維軸方向上長度1μm的范圍內(nèi)的最高部和最低部的高低差。所謂單纖維的表面的褶皺是在某方向上具有大于等于1μm長度的凹凸的形態(tài)。另外，該方向沒有特別限定，可以平行或者垂直于纖維軸方向，或者與纖維軸方向具有一定角度。在通過一般的碳纖維束的制造方法而得到的通常的碳纖維表面，存在與纖維軸方向基本平行的褶皺。
該褶皺的高低差可以基于使用掃描型原子力顯微鏡(AFM)測定的單纖維的表面形狀的觀察結(jié)果如下進行計測。
將數(shù)根碳纖維束的單纖維放在樣品臺上，固定兩端，進而在周圍涂布道蒂特(dotite)，形成測定樣品。對于AFM使用設(shè)置有在頂端形成探針的氮化硅制懸臂的原子力顯微鏡(セイコ一インスツルメンツ(株)制造，SPI3700/SPA-300(商品名))。用AFM模式在單纖維的纖維軸方向遍及1μm長度掃描探針，在單纖維的圓周方向長度2～2.5μm上，一點一點挪動的同時反復(fù)進行該探針的掃描。由此測定單纖維表面的圓周方向上2～2.5μm、纖維軸方向上1μm范圍的表面形狀。用二維傅立葉變換對得到的圖像除去低頻成分后，進行逆變換。這樣由除去了單纖維曲率的截面的平面圖像，可以讀取在圓周方向的長度2μm×纖維軸方向的長度1μm的范圍最高部和最低部的高低差。
圖1是表示本發(fā)明壓力容器一實施例的部分截面圖。
圖1所示的壓力容器1中，在大致圓筒形的容器本體2上設(shè)置了具有上述纖維強化樹脂的纖維強化樹脂層10、12。在該例子中，除了容器本體2的開口部4以外的全部區(qū)域，即、形成纖維強化樹脂層10、12以覆蓋胴體部3和底部5。
對于容器本體2，只要是具有內(nèi)部填充的氣體難以泄漏的材質(zhì)的本體，就沒有特別限制，優(yōu)選具有塑料或金屬的本體。作為塑料可舉出例如高密度聚乙烯，作為金屬可舉出例如鋁合金、鎂合金、鐵等。特別是鋁合金適宜于容器本體2的輕量化。
纖維強化樹脂層可以是單層，但是優(yōu)選像本例那樣形成多層結(jié)構(gòu)。
在此，形成如下2層結(jié)構(gòu)在卷繞纖維強化樹脂使纖維的取向方向為容器本體2的圓周方向而所形成的纖維強化樹脂層(圓周方向取向?qū)?10上，具有卷繞纖維強化樹脂使纖維取向方向為容器本體2的長軸方向而所形成的纖維強化樹脂(軸方向取向?qū)?12。
在本發(fā)明中，纖維強化樹脂層并不限于圖示的結(jié)構(gòu)，也可以形成圓周方向取向?qū)雍洼S方向取向?qū)釉谌萜鞅倔w上交替層積的3層或3層以上的多層結(jié)構(gòu)。
特別優(yōu)選使纖維強化樹脂層的最外層為圓周方向取向?qū)?，由此可以得到良好的外觀狀況。各層的數(shù)量及厚度可以根據(jù)容器的用途、內(nèi)容物的種類、大小等任意選擇。
作為浸透強化纖維的樹脂(基質(zhì)樹脂)，只要是通常用于纖維強化樹脂層的樹脂，就沒有特別限制，例如可舉出環(huán)氧樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂、丙烯酸類樹脂等。
針對制造上述壓力容器1的方法的一例進行說明。
(1)纖維強化樹脂層的形成如圖2A所示，使儲存在貯槽18內(nèi)的基質(zhì)樹脂浸透強化纖維16，得到纖維強化樹脂14。
接著，使容器本體2在圓周方向上旋轉(zhuǎn)，同時將纖維強化樹脂14卷繞在容器本體2上。由此形成圓周方向取向?qū)?0使纖維強化樹脂14的纖維取向方向為容器本體2的圓周方向。
接著，形成軸方向取向?qū)?2。在形成軸方向取向?qū)?2時，只要使纖維強化樹脂14的纖維取向方向為容器本體2的長軸方向即可。由此得到具有層積了圓周方向取向?qū)?0和軸方向取向?qū)?2的多層結(jié)構(gòu)的纖維強化樹脂層的中間體容器20。
另外，要在軸方向取向?qū)?2上進一步形成層，重復(fù)上述方法即可。
(2)樹脂層的固化接著，如圖2B所示，在加熱爐22內(nèi)加熱中間體容器20，使纖維強化樹脂層10、12固化。
加熱溫度優(yōu)選為40～180℃。如果加熱溫度低于上述范圍或者高于上述范圍，則得到的壓力容器1的疲勞特性和破裂特性會變差。
(3)自緊處理隨后，如圖2C所示，使用自緊處理裝置24進行自緊處理，使自緊后的容器表面的圓周方向的壓縮應(yīng)力為容器屈服點應(yīng)力的95％左右。在此，所謂自緊處理是在提高中間體容器20的容器內(nèi)壓(此時的容器內(nèi)壓的最大值稱為自緊處理壓力)，使襯材(容器本體2)永久變形后，通過降低容器內(nèi)壓，利用纖維強化樹脂層10、12的剛性對容器本體2賦予壓縮應(yīng)力的處理。
這樣，可以制造壓力容器。
實施例以下，示出具體例來詳細地說明本發(fā)明的壓力容器。
強化纖維的評價方法如下所述。
(絲束強度、彈性模量、拉伸伸長率)根據(jù)JIS R7601進行評價。
拉伸伸長率由絲束強度除以絲束彈性模量來計算。
(碳纖維束的單纖維截面的平均直徑)首先使用纖維束的細度、密度及纖維數(shù)(單纖維根數(shù))，由下面的式(1)計算出碳纖維束的單纖維截面的平均截面積。
在此，所謂纖維束的細度是碳纖維束的每單位長度的質(zhì)量，根據(jù)JISR7601進行測定。
纖維束的密度根據(jù)JIS R7601通過密度梯度管法進行測定。
式(1)Aav=1n×tρ×10-3]]>Aav單纖維的平均截面積n構(gòu)成纖維束的單纖維根數(shù)t細度(Tex)ρ密度(g/cm3)隨后，由得到的單纖維的平均截面積，假定截面形狀為正圓而計算出平均直徑。
(碳纖維束的單纖維表面的褶皺的深度)存在于碳纖維束的單纖維表面的褶皺的深度定義為單纖維表面中在圓周方向上長度2μm×纖維軸方向上長度1μm的范圍最高部和最低部的高低差。高低差基于使用掃描型原子力顯微鏡(AFM)在單纖維的表面掃描探針而得到的表面形狀的測定結(jié)果來進行測定。具體如下所述。
將數(shù)根碳纖維束的單纖維放在樣品臺上，固定兩端，進而在周圍涂布道蒂特(dotite)，形成測定樣品。對于AFM使用設(shè)置有在頂端形成探針的氮化硅制懸臂的原子力顯微鏡(セイコ一インスツルメンツ(株)制造，SPI3700/SPA-300(商品名))。用AFM模式在單纖維的纖維軸方向遍及1μm長度掃描探針，在單纖維的圓周方向長度2～2.5μm上，一點一點挪動的同時反復(fù)進行該探針的掃描。由此測定單纖維表面的圓周方向上2～2.5μm、纖維軸方向上1μm范圍的表面形狀。用二維傅立葉變換對得到的圖像除去低頻成分后，進行逆變換。這樣由除去了單纖維曲率的截面的平面圖像，讀取在圓周方向的長度2μm×纖維軸方向的長度1μm范圍的最高部和最低部的高低差來進行評價。
(1)強化纖維準備以下所示的強化纖維(i)～(viii)。
強化纖維(i)單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為5250MPa，絲束彈性模量為350GPa，伸長率為1.50％。并且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(ii)單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為4960MPa，絲束彈性模量為320GPa，伸長率為1.55％。并且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(iii)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維MR35E-12K。該碳纖維的單纖維直徑為7μm，纖維數(shù)為12000根，絲束強度為4410MPa，絲束彈性模量為295GPa，伸長率為1.49％。并且，褶皺深度為100nm。
強化纖維(iv)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維HR40-12K。該碳纖維的單纖維直徑為6μm，纖維數(shù)為12000根，絲束強度為4610MPa，絲束彈性模量為390GPa，伸長率為1.18％。并且，褶皺深度為20nm。
強化纖維(v)使用三菱麗陽株式會社制碳纖維MR60H-24K。該碳纖維的單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為5800MPa，絲束彈性模量為290GPa，伸長率為2.00％。并且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(vi)單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為5220MPa，絲束彈性模量為360GPa，伸長率為1.45％。并且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(vii)碳纖維的單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為5250MPa，絲束彈性模量為320GPa，伸長率為1.64％。并且，褶皺深度為80nm。
強化纖維(viii)單纖維直徑約為5μm，纖維數(shù)為24000根，絲束強度為5270MPa，絲束彈性模量為310GPa，伸長率為1.70％。并且，褶皺深度為80nm。
在此，如下所述制造強化纖維(i)、強化纖維(ii)、強化纖維(vi)、強化纖維(vii)及強化纖維(viii)。
將丙烯腈系聚合物溶解在二甲基乙酰胺中而調(diào)制紡絲原液，通過將該紡絲原液如下所述進行濕式紡絲，制成碳纖維前驅(qū)體纖維束。首先，在具有濃度50～70質(zhì)量％、溫度30～50℃的二甲基乙酰胺水溶液的第一凝固浴中，吐出紡絲原液，制作凝固絲。接著，在具有濃度50～70質(zhì)量％、溫度30～50℃的二甲基乙酰胺水溶液的第二凝固浴中，對凝固絲實施規(guī)定量的拉伸，進而進行濕熱拉伸，使長度為拉伸前的3.5倍或3.5倍以上，從而獲得碳纖維前驅(qū)體纖維束。
碳纖維前驅(qū)體纖維束的截面平均直徑、褶皺的深度根據(jù)改變凝固浴濃度和溫度、還有拉伸條件來調(diào)整。另外，為了維持紡絲工序中的穩(wěn)定性，可以附著硅系油劑。
接著，將多根前驅(qū)體纖維束以一致平行的狀態(tài)導(dǎo)入耐火化爐中，在大于等于-2.0％的伸長率下(收縮大于等于2.0％的條件下)，通過將加熱到200～300℃的空氣等氧化性氣體吹附到前驅(qū)體纖維束上，耐火化前驅(qū)體纖維束，得到耐火纖維束。接著，將該耐火纖維束導(dǎo)入碳化爐中，在惰性氛圍中、于1300～2000℃的溫度下，并在伸長率大于等于-5.0％的高伸長率下進行碳化，從而得到碳纖維束。在此，制造強化纖維(i)、強化纖維(ii)、強化纖維(vi)、強化纖維(vii)及強化纖維(viii)時的碳化溫度分別為1800℃、1550℃、1950℃、1600℃和1550℃。
為了提高與樹脂的親和性，這些碳纖維束可以實施濕式電解氧化處理，在碳纖維束表面導(dǎo)入含氧官能團。進而，在碳纖維束上附著1.0質(zhì)量％的表1所示組成的環(huán)氧系上膠劑后，卷繞在卷絲管上。
表1

(2)基質(zhì)樹脂使用三菱麗陽株式會社制環(huán)氧樹脂“#700B”(組成Ep 828/XN1045/BYK-A506)。
(3)容器本體使用容量9升的鋁制容器本體(全長540mm、胴體部長415mm、胴體部外徑163mm、在胴體部中央的壁厚3mm)。
實施例1按照以下的步驟制作常用填充壓力70MPa的壓力容器。
如圖2A所示，使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(i)(伸長率1.50％、彈性模量350GPa)，得到纖維強化樹脂14。使用Entec Composite Machines公司制造的長纖維卷繞機將強化纖維樹脂14卷繞在容器本體2上，形成5層結(jié)構(gòu)的纖維強化樹脂層。
纖維強化樹脂層從內(nèi)側(cè)(容器本體側(cè))向外側(cè)(外方側(cè))具有圓周方向取向?qū)?C)/軸方向取向?qū)?H)/圓周方向取向?qū)?C)/軸方向取向?qū)?H)/圓周方向取向?qū)?C)這5層結(jié)構(gòu)。
在得到的中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度結(jié)果為約13mm。
接著，如圖2B所示，將中間體容器20放入加熱爐22中，以1℃/min使爐內(nèi)的溫度從室溫升至135℃。
確認纖維強化樹脂層的表面溫度達到135℃后，在該溫度下放置1小時。
隨后，以1℃/min使爐內(nèi)溫度下降至60℃，從加熱爐22中取出中間體容器20，將該中間體容器20放冷至室溫。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5612g。
隨后，如圖2C所示，使用自緊處理裝置24，以自緊處理壓力158MPa對中間體容器20進行自緊處理，對容器本體20施加壓縮應(yīng)力，得到壓力容器1。
針對得到的壓力容器，評價破裂特性、疲勞特性、輕量性。
(1)破壞壓力試驗(破裂特性)將壓力容器固定在水壓破壞試驗機(三菱麗陽株式會社制)上，在升壓速度小于等于1.4MPa下對壓力容器施加水壓，測定壓力容器破裂時的壓力。
一般來說，作為常用填充壓力70MPa的填充容器所要求的容器性能，規(guī)格上定為破裂壓力(破壞壓力)大于等于164.5MPa，考慮到安全性，破裂壓力(破壞壓力)要求大于等于175MPa。
(2)疲勞特性試驗將壓力容器固定在水壓循環(huán)試驗機(三菱麗陽株式會社制)上，使壓力容器的內(nèi)壓從大氣壓升至常用填充壓力的5/3倍的壓力后，通過以約2次/min的速度反復(fù)進行回到大氣壓的壓力變動操作，使壓力容器破裂，測定直至破裂為止的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)。
一般來說，作為常用填充壓力70MPa的填充容器所要求的容器性能，規(guī)格上定為疲勞特性試驗中大于等于11250次，考慮到安全性，疲勞特性要求大于等于12500次。
(3)輕量性測定各壓力容器的纖維強化樹脂層的質(zhì)量。
得到的壓力容器1的破壞壓力(BP)為211MPa。該數(shù)值相當于常用填充壓力(FP)的約3倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器1破裂為止的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為16190次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
可以知道，該實施例1的壓力容器1在破裂特性、疲勞特性方面得到優(yōu)異的結(jié)果，還具有可以進一步輕量化的可能性。
實施例2按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(ii)(伸長率1.64％、彈性模量320GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5633g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為198MPa。該數(shù)值相當于常用填充壓力(FP)的約2.8倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂為止的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為13308次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規(guī)格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。并且，雖然是一些但是還存在輕量化的余地。
實施例3
按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(vi)(伸長率1.45％、絲束彈性模量360GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5580g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
得到的壓力容器1的破壞壓力(BP)為208MPa。該數(shù)值相當于常用填充壓力(FP)的約3倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器1破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為18310次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
可以知道，該實施例1的壓力容器1在破裂特性、疲勞特性方面得到優(yōu)異的結(jié)果，還具有可以進一步輕量化的可能性。
實施例4按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(vii)(伸長率1.64％、彈性模量320GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5633g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為206MPa。該數(shù)值相當于填充壓力的約2.9倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為13500次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但是與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規(guī)格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。并且，雖然是一些但是還存在輕量化的余地。
實施例5按照以下的步驟制作常用填充壓力70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(viii)(伸長率1.70％、彈性模量310GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，其結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5640g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為140MPa。
進行與實施例1相同的評價。
壓力容器的破壞壓力(BP)為207MPa。該數(shù)值相當于常用填充壓力的約3倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為12600次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器雖然是使用彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，但與一般而言的該類別的容器特性相比，不論在規(guī)格上還是在考慮安全率時，在破裂特性和疲勞特性方面也具有充分的性能。
比較例1按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。該比較例中，使用具有理想的伸長率、但彈性模量對于壓力容器有些低的強化纖維。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(iii)(伸長率1.5％、彈性模量295GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5648g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為130MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為179MPa。該數(shù)值相當于填充壓力的約2.56倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為10533次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了彈性模量低、但具有理想的伸長率的強化纖維的例子，與一般而言的該類別的容器特性相比，規(guī)格上可以滿足，但考慮到安全率時，在疲勞特性方面不可否認有些不足。
比較例2按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(iv)(伸長率1.20％、彈性模量390GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5640g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為125MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為181MPa。該數(shù)值相當于填充壓力的約2.6倍。此時的破裂狀態(tài)為發(fā)生在胴體部中央部，襯材自身僅在胴體部中央附近開孔，但外側(cè)的強化纖維樹脂層分裂成2份或2份以上的破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為19821次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了彈性模量高的強化纖維的例子。與一般的這種常用填充壓力的容器特性比較時，可以認為滿足考慮到容器特性的規(guī)格值、安全性時所要求的破裂特性和疲勞特性。但是疲勞特性必要以上充分的另一面，由于自緊處理壓力和破壞壓力的差小，通過強化纖維的強度的偏移，在自緊處理中可能發(fā)生破裂。因此，不能認為強化纖維的強度和彈性模量的平衡是充分的。
比較例3按照以下的步驟制作常用填充壓力(FP)70MPa的壓力容器。
與實施例1同樣，在容器本體2上形成具有使基質(zhì)樹脂浸透強化纖維(v)(伸長率2.0％、彈性模量290GPa)的纖維強化樹脂14的纖維強化樹脂層，得到中間體容器20。
纖維強化樹脂層形成與實施例1同樣的5層結(jié)構(gòu)。在中間體容器20的胴體部的中央部測定纖維強化樹脂層的厚度，結(jié)果約為13mm。
與實施例1同樣地對中間體容器20進行加熱處理。纖維強化樹脂層的質(zhì)量為5652g。
接著，與實施例1同樣地對中間體容器20進行自緊處理，得到壓力容器。自緊處理壓力為125MPa。
壓力容器的破壞壓力(BP)為228MPa。該數(shù)值相當于常用填充壓力的約3.3倍。此時的破裂狀態(tài)均為僅在胴體部中央附近開孔而壓力容器沒有分開的理想破裂方式。
疲勞特性試驗的結(jié)果是，直至壓力容器破裂的壓力變動操作的重復(fù)次數(shù)為9815次。此時的破裂位置發(fā)生在壓力容器的直胴體部的襯材部。
該壓力容器是使用了強度比較高的強化纖維的例子。與一般的這種常用填充壓力的容器特性比較時，破裂特性可以充分滿足容器特性的規(guī)格值，但是對于疲勞特性并不滿足。因此，不能認為強化纖維的強度和彈性模量的平衡是充分的。
上述實施例和比較例的結(jié)果如表2所示。
表2

實施例1、2的壓力容器，破裂特性和疲勞特性的平衡優(yōu)異，彈性模量高、進一步輕量化的可能性被確認。
與此相反，強化纖維即使具有理想的伸長率，如果沒有充分的彈性模量，則為了滿足破裂特性、疲勞特性，需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而存在重量增加的問題(比較例1)。
另一方面，即使?jié)M足一般的破裂特性或者疲勞特性，由于破裂特性和疲勞特性的平衡并非良好，為了滿足一方的特性，則需要增加纖維強化樹脂層的厚度，從而存在重量增加的問題(比較例2、3)。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)高性能的壓力容器的輕量化，特別適合于汽車等各種運輸機器的燃料箱。
權(quán)利要求
1.一種壓力容器，具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大于等于305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其中，所述強化纖維的絲束彈性模量為305GPa～420GPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其中，所述容器本體為金屬制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力容器，其中，填充壓力大于等于30MPa。
5.一種壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大于等于305GPa，并且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，絲束彈性模量為305GPa～420GPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，具有多根平均直徑小于等于6μm的單纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力容器用碳纖維，其中，具有多根在表面具有最高部和最低部的高低差大于等于40nm褶皺的單纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓力容器和壓力容器用碳纖維。所述壓力容器具有容器本體和形成在該容器本體表面的纖維強化樹脂層，所述纖維強化樹脂層具有在強化纖維中浸透了樹脂的纖維強化樹脂，所述強化纖維的絲束彈性模量大于等于305GPa，所述強化纖維的拉伸伸長率為1.45～1.70％。所述壓力容器用碳纖維，其絲束彈性模量大于等于305GPa，并且拉伸伸長率為1.45～1.70％。
文檔編號F17C1/16GK1839278SQ200480024239
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者杉浦直樹, 長束悟志, 竹本秀博, 松本誠, 杉浦正行 申請人:三菱麗陽株式會社