專利名稱：復(fù)合材料壓力容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用纖維復(fù)合材料制成的壓力容器，如管道和罐。具體地講，本發(fā)明涉及由包含纖維的纖維復(fù)合材料形成的壓力容器，所述纖維由包含分散在基體樹脂中的表面改性的納米粒子的樹脂體系浸潰。
背景技術(shù)：
一般來講，壓力容器為能夠在壓力下容納流體(如液體、液化氣、壓縮氣體及它們的組合)的結(jié)構(gòu)。示例性壓力容器包括存儲容器(如燃料罐、便攜式氣體(如氧氣)儲存瓶和收集器)以及可用于傳送高壓流體的管道和導(dǎo)管(如液壓管路)和暴露于瞬時高壓的結(jié)構(gòu)(如火箭發(fā)動機殼體和發(fā)射管)。通常，壓力容器由金屬制成。雖然許多因素影響材料選擇，包括熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和疲勞性能；但減小重量、提高爆裂強度以及延長使用壽命已成為壓力容器設(shè)計者要考慮到重要因素。這些要求導(dǎo)致在壓力容器的構(gòu)造中纖維增強復(fù)合材料的使用增加。然而，仍然需要在更大程度上減小重量以及提高強度。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，在一個方面，本發(fā)明提供了一種壓力容器，該壓力容器包括周向封閉能夠用流體填充的開放空間的壁。壁包括鄰近開放空間的內(nèi)表面和與內(nèi)表面相反的外表面、第一末端、第二末端和軸向方向。壁還包括包含用纖維浸潰的樹脂體系的復(fù)合材料層。樹脂體系包含可固化基體樹脂和多個表面改性的納米粒子。在一些實施例中，至少一種復(fù)合材料層包含相對于軸向方向以大于70度的角度排列的纖維。在一些實施例中，至少一種復(fù)合材料層包含相對于軸向方向以不大于40度的角度排列的纖維。在一些實施例中，至少一種復(fù)合材料層包含相對于軸向方向以介于40度和70度之間(包括40度和70度)的角度排列的纖維。在一些實施例中，壓力容器還包括第一頂蓋和任選的第二頂蓋，它們分別從鄰近第一末端和第二末端的壁延伸，從而進一步封閉開放空間。在一些實施例中，壁的垂直于軸向方向的橫截面為橢圓形。在一些實施例中，壓力容器為橢球體。在一些實施例中，可固化基體樹脂包括環(huán)氧樹脂。在一些實施例中，表面改性的納米粒子的至少一些包括包含至少一種金屬氧化物(如二氧化硅)的核。在一些實施例中，表面改性劑與核的表面共價結(jié)合。在一些實施例中，表面改性的納米粒子的至少一些包括包含方解石的核。在一些實施例中，表面改性劑與核離子結(jié)合。在一些實施例中，樹脂體系還包含橡膠增韌劑。在一些實施例中，橡膠增韌劑包括核殼橡膠。
在一些實施例中，壁還包括具有外表面和鄰近開放空間的內(nèi)表面的襯墊，其中復(fù)合材料層鄰近襯墊的所述外表面。在一些實施例中，襯墊包含金屬和聚合物中的至少一種。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少IOMPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少30MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少40MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少50MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少60MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少70MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少80MPa的流體。在一些實施例中，開放空間包含絕對壓力為至少90MPa的流體。本公開的上述發(fā)明內(nèi)容并不旨在描述本發(fā)明的每一個實施例。本發(fā)明的一個和多個實施例的細節(jié)還在下面的描述中示出。本發(fā)明的其他特征、目標和優(yōu)點根據(jù)描述和權(quán)利要求將顯而易見。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性復(fù)合材料壓力容器。圖2不出圖1復(fù)合材料壓力容器的橫截面。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的另一種示例性復(fù)合材料壓力容器的橫截面。圖4示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性圓柱形復(fù)合材料壓力容器。圖5示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性球形復(fù)合材料壓力容器。
具體實施例方式一般來講，將壓力容器根據(jù)其構(gòu)造所用材料分成四類-1類全部金屬構(gòu)造(如不銹鋼)；-1I類大部分為金屬,在環(huán)向方向上具有一些纖維外包裹物；-1II類金屬襯墊，具有完全的纖維復(fù)合材料外包裹物；-1V類聚合物襯墊，具有完全的纖維復(fù)合材料外包裹物。一般來講，當壓力容器從I類過渡至IV類時，結(jié)構(gòu)的纖維復(fù)合材料部分所承受的結(jié)構(gòu)負載的百分比增加。一般來講，纖維復(fù)合材料包含由樹脂(常稱為“基體樹脂”)浸潰的纖維。結(jié)構(gòu)纖維包括例如玻璃、芳族聚酰胺和碳纖維。此類纖維的硬度和強度性質(zhì)遠高于用于浸潰其以形成復(fù)合材料的樹脂。對于壓力容器應(yīng)用，纖維呈連續(xù)形式(即，未經(jīng)短切或以其它方式不連續(xù))。纖維通常繞襯墊或心軸纏繞，使得纖維的長度方向沿主要的負載方向排列。此操作利用了結(jié)構(gòu)纖維的優(yōu)異的縱向硬度和強度特性。當設(shè)計壓力容器時，容器的爆裂強度，特別是沿環(huán)向方向的爆裂強度(即，環(huán)向強度)至關(guān)重要。當加壓時，壓力容器的壁會經(jīng)歷多軸向負載和應(yīng)變。對于最常見的壓力容器設(shè)計，環(huán)向負載將超過軸向負載。例如，就圓柱形壓力容器而言，環(huán)向負載將為軸向負載的兩倍；因此，環(huán)向強度將控制壓力容器的爆裂強度。對于與提高壓力容器的爆裂強度有關(guān)的設(shè)計考慮因素已有諸多研究。就由纖維復(fù)合材料制成的壓力容器而言，環(huán)向應(yīng)變和爆裂強度與纖維的機械性能相關(guān)。例如，通常使用結(jié)網(wǎng)分析來估計應(yīng)力和預(yù)測纖維復(fù)合材料的失效。此方法完全排除了樹脂的作用，僅僅關(guān)注纖維的機械性能，特別是纖維強度。對于纖維性能的關(guān)注主要是由于纖維相對于樹脂而言具有顯著較高的機械性能。例如，可用拉伸模量為約200GPa至約550GPa的碳纖維。相比之下，典型基體樹脂的拉伸模量要小一至兩個數(shù)量級，例如聚酯、環(huán)氧樹脂和氰酸鹽酯的拉伸模量為約3GPa至5GPa。由于纖維相對于基體樹脂而言具有更高的硬度，因此纖維方向(即，纖維的長度方向)的負載主要由纖維承受。因此纖維方向的強度取決于纖維強度，并且通過對復(fù)合材料壓力容器的主要負載方向上的纖維進行取向可實現(xiàn)對高纖維強度的充分利用。復(fù)合材料壓力容器的最佳設(shè)計需要有效使用組分材料，尤其是纖維。壓力容器的成本、重量和強度均取決于纖維利用率。通常，所用纖維的單位重量成本高于樹脂組分，并且具有較高的密度。玻璃纖維的密度為約2. lgm/cc，且碳纖維的密度為約1.8gm/CC。常見基體樹脂的密度較低，例如乙烯基酯和環(huán)氧樹脂為約I. 2gm/CC，且聚酯樹脂為約I. 4gm/cc。當然，材料的密度存在較大的變化，這取決于所選擇的具體產(chǎn)品，但一般來講，纖維的密度大于基體樹脂的密度。此外，可通過降低必須在制造期間放置的纖維的量來減少制造壓力容器所需的時間和隨之產(chǎn)生的成本以及設(shè)計的重量。則壓力容器的最佳設(shè)計決定了要使用最低量的纖維來實現(xiàn)所需的強度。一般來講，可通過混合定律來確定單向復(fù)合材料的拉伸模量，如公式2所示E復(fù)合材料=E纖維· V纖維+E樹脂·(I-V纖維)；其中 (2) E復(fù)合材料=纖維復(fù)合材料的拉伸模量，E纖維=纖維的拉伸模量，Ewffi=樹脂的拉伸模量，并且V纟■=纖維相對于纖維和樹脂的總體積的體積分率。將公式2重新排列，得出Ewi旨對E纖維的比率通常小于O. 02 (B卩，樹脂的4GPa除以纖維的200GPa)，明顯可看出，對于纖維的任何實際體積分率(如V纟I)而言，復(fù)合材料
模量取決于纖維模量。
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￡纖維L F纖維J。(3)在不考慮基體樹脂性能的情況下，纖維強度對壓力容器爆裂強度的支配在關(guān)于壓力容器設(shè)計的文獻中也得到了認可。例如，在名稱為“An estimation of strength forcomposite pressure vessels (復(fù)合材料壓力容器的強度評估)”(Composites Structures(復(fù)合材料結(jié)構(gòu))22(1992)，第179-186頁)的文獻中，Mao等人提出一種評估復(fù)合材料壓力容器的爆裂強度的方法。在此著作中，在不考慮基體樹脂性能的情況下對纖維強度的統(tǒng)計分布以及使用來自小體積實驗標本的數(shù)據(jù)來預(yù)測大體積結(jié)構(gòu)強度的統(tǒng)計意義進行討論。將得自浸潰纖維股線和環(huán)形標本的統(tǒng)計強度數(shù)據(jù)歸一化為復(fù)合材料的纖維面積分數(shù)。Mao等人提出“由于纖維的楊氏模量遠大于基體的楊氏模量，因此公式中的強度計算假定所有負載均由纖維承受”。發(fā)現(xiàn)結(jié)果分析是評估復(fù)合材料壓力容器的斷裂強度的可行方法。確認行業(yè)中對纖維性能對壓力容器強度具有支配作用并且基體性能的作用可忽略不計這一觀點的認可的另一參考文獻是“Composite Overwrap PressureVessels !Mechanics and Stress Rupture Lifing Philosophy (復(fù)合材料纏繞壓力容器力學和應(yīng)力破斷提升原理)"NASA/TM — 2009-215683，Thesken等人。該文獻提出“根據(jù)通用纏繞成型法設(shè)計實踐，強度和硬度均與樹脂無關(guān)?！迸c現(xiàn)有實驗和模型以及常規(guī)認知相反，發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)使用包含表面改性的納米粒子的基體樹脂可使爆裂強度顯著增加而無需增加壓力容器設(shè)計中的纖維含量。在一些實施例中，此發(fā)現(xiàn)可允許壓力容器設(shè)計者增加強度，同時可避免增加纖維用量相關(guān)的顯著重量缺陷。在一些實施例中，壓力容器設(shè)計者還可通過排除復(fù)合材料層來減少壓力容器的重量，同時保持所需強度。示例性壓力容器在圖I中示出，而此壓力容器的橫截面在圖2中示出。壓力容器 100包括周向封閉開放空間120的壁110。開放空間120可在高壓下用流體、如液體或氣體、填充。壁110包括鄰近開放空間120的內(nèi)表面112和與內(nèi)表面112相對的外表面114。壁110還包括第一末端116和第二末端118。如圖2中所示，壁110包括纖維復(fù)合材料130。纖維復(fù)合材料130包含沿環(huán)向方向H排列的纖維133。如本文所用并且如圖I和2所不,環(huán)向方向相對于軸向方向A限定。環(huán)向方向?qū)?yīng)于壓力容器的表面，該表面由垂直于軸向方向A的壓力容器的橫截面限定。纖維在樹脂體系內(nèi)浸潰，該樹脂體系包含分散在基體樹脂142內(nèi)的多個表面改性的納米粒子144。與商業(yè)壓力容器相比，圖2的壓力容器高度簡化。一般來講，壓力容器的壁包括相同或不同纖維復(fù)合材料的多個層片。纖維相對于壓力容器的軸向方向的角度可發(fā)生變化以滿足各種設(shè)計考慮因素。此外，襯墊通常用于提供用于接觸流體的所需內(nèi)壁表面并且用作建立所需數(shù)目的復(fù)合材料層的形式。圖3示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性壓力容器200的橫截面。壁210包括圍繞開放空間220的多個纖維復(fù)合材料層230。每個纖維復(fù)合材料層230包含用樹脂體系240浸潰的纖維。在一些實施例中，對于纖維復(fù)合材料層中的至少一些，如纖維復(fù)合材料層230a，環(huán)向纖維233a基本上沿環(huán)向方向H排列。理想的是，環(huán)向纖維精確地沿環(huán)向方向排列。然而，纖維通常以螺旋方式纏繞成連續(xù)的纖維絲束(即，束)。根據(jù)同時以螺旋方式纏繞的絲束的數(shù)目，纖維必須相對于軸向方向以小于90度的某個角度排列以使得鄰近包裹物之間的重疊最小化。在一些實施例中，環(huán)向纖維相對于軸向方向以大于70度(在一些實施例中,相對于軸向方向大于80度，如大于85度或甚至大于88度)的角度排列。在一些實施例中，一個或多個纖維復(fù)合材料層，如纖維復(fù)合材料層230b，包含更緊密地以軸向方向排列的軸向纖維233b。在一些實施例中，軸向纖維233b可以螺旋方式纏繞。在一些實施例中，軸向纖維相對于軸向方向以不大于40度(在一些實施例中，不大于30度，如不大于15度、不大于10度)的角度排列。在一些實施例中，軸向纖維相對于軸向方向以介于3度和15度之間(包括3度和15度)，如介于3度和10度之間(包括3度和10度)或甚至介于5度和10度之間(包括5度和10度)的角度排列。在一些實施例中，一個或多個纖維復(fù)合材料層包含相對于軸向方向以介于45度和70度之間(包括45度和70度)，如介于50度至60度之間(包括50度和60度)或甚至介于53度和56度之間的角度排列的纖維。例如，當纏繞理想化的無限圓柱體時，使用54. 7度的纏繞角度實現(xiàn)2:1比率的環(huán)向強度與軸向強度。如圖3中所示，在一些實施例中，壁包括除纖維復(fù)合材料層之外的襯墊270。在一些實施例中，襯墊由金屬如鋁、鋼(如不銹鋼鋼)、鈦或它們的組合構(gòu)成。在一些實施例中，襯墊由聚合物如聚烯烴(如HDPE)構(gòu)成。還已使用陶瓷襯墊。在一些實施例中，襯墊本身可包含多層相同或不同的材料。例如，可施加涂層或膜以提供例如耐蝕性、耐腐蝕性和/或耐化學性和抗擴散性，包括水分和氣體屏障。襯墊的內(nèi)表面或施加至襯墊內(nèi)表面的任何任選的層提供壁210的內(nèi)表面212。還可將涂層或膜施加至復(fù)合材料層。例如，在一些實施例中，任選的層280鄰近復(fù)合材料層的外表面設(shè)置并且提供壁210的外表面214?？蓪Υ祟惾芜x的層的組成進行選擇以提供多種所需屬性中的任一種，包括如耐損傷性、抗沖擊性、外觀、光滑度、耐蝕性、耐腐蝕性和/或耐化學性。如果復(fù)合材料層發(fā)生失效，則還可提供此類層作為限制纖維的屏障。用于本發(fā)明壓力容器的至少一種纖維復(fù)合材料層的樹脂體系包含分散在基體樹脂中的表面改性的納米粒子。在一些實施例中，至少50%，如至少80%，如至少90%或甚至所有包含環(huán)向排列纖維的纖維復(fù)合材料層的樹脂體系包含分散在基體樹脂中的表面改性的納米粒子。在一些實施例中，至少50%，如至少80%，如至少90%或甚至所有纖維復(fù)合材料層(如環(huán)向排列層和軸向排列層)的樹脂體系包含分散在基體樹脂中的表面改性的納米粒子。盡管壓力容器可具有多種形狀，但其通常為圓柱形或球形以使得每單位表面積的體積最大化并避免應(yīng)力集中區(qū)域。在圖1中，示出具有兩個開口端的壓力容器。當兩個末端116和118均開口且未經(jīng)密封時，流體可在由壁110限定的壓力下通過開放空間120泵送。一般來講，可根據(jù)已知的設(shè)計考慮因素選擇壓力容器的形狀和橫截面。常見的是具有橢圓形、如圓形橫截面垂直于軸向方向的壁的壓力容器。此類壓力容器可包括一個或多個密封橢圓形壁末端的頂蓋。此外，橢球體，如球形，壓力容器也是已知的。圖4和5示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的若干其他示例性壓力容器。圖4示出圓柱形壓力容器300，該壓力容器包括圍繞開放空間320的圓柱形壁310。壓力容器310還包括鄰近第一末端316的第一頂蓋356和鄰近第二末端318的第二頂蓋358。頂蓋(也稱為“頭部”)用于限制壓力容器內(nèi)的流體。第一頂蓋和第二頂蓋提供了對壁310的末端的密封，從而使得所得封閉容器可增壓。在一些實施例中，頂蓋可與壁的末端成一體。在一些實施例中，頂蓋可附接、例如可拆卸地附接、至壁的末端。附接的方法(例如焊接、粘合劑等)將取決于構(gòu)造的材料和其他充分理解的設(shè)計參數(shù)。盡管以半球體示出，但可使用任何所需的頂蓋形狀。例如，在一些實施例中，可使用半橢圓形形狀頂蓋。盡管圖4示出在兩個末端均具有頂蓋的壓力容器，但僅在一個末端具有頂蓋的壓力容器也是可能的。球形壓力容器400在圖5中示出。此處，球形壁410封閉開放間隙420。一般來講，在所有其他因素均等同時，球形壓力容器需要最小的質(zhì)量以提供所需的空間和最大的內(nèi)部壓力。盡管未示出，圓柱形壓力容器310和球形壓力容器410通常包括一個或多個可密封開口，如閥門或螺紋配件，以允許流體被引入開放間隙。此外，將提供這些相同的開口或其他開口以允許流體從壓力容器內(nèi)排放。
一般來講，本發(fā)明的纖維復(fù)合材料包含用樹脂體系浸潰的纖維。樹脂體系包含分散在可固化樹脂中的表面改性的納米粒子?！銇碇v，可以使用任何適用于纖維復(fù)合材料的纖維。示例性的纖維包括碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、硼纖維、碳化硅纖維、聚酰亞胺纖維、聚酰胺纖維和聚乙烯纖維。也可使用這些材料的組合。一般來講，纖維復(fù)合材料的一個或多個層采用呈單獨或成束連續(xù)纖維(如，纖維絲束)的單向陣列形式的纖維。然而，還可將織造織物、針織織物、紗線、粗紗、編織構(gòu)造和纖維的非織造墊用于一些層。一般來講，可以使用任何已知的可固化樹脂或樹脂的組合。在一些實施例中，可以使用熱固性樹脂和輻射可固化(如紫外線固化或電子束固化)樹脂。合適的樹脂包括(例如)環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、氰酸鹽酯樹脂、乙烯基酯樹脂、丙烯酸類樹脂、氨基甲酸乙酯樹脂和氨基甲酸乙酯丙烯酸酯樹脂。在一些實施例中，可以使用聚環(huán)氧化合物樹脂，包括脂族和芳族聚環(huán)氧化合物樹脂。示例性環(huán)氧樹脂包括基于雙 酚A和雙酚F的環(huán)氧樹脂，例如，以商品名稱“ΕΡ0Ν”得自俄亥俄州哥倫布市邁圖公司(Momentive, Columbus, Ohio)(前身為俄亥俄州哥倫布市瀚森化工公司(Hexion SpecialtyChemicals, Inc.，Columbus, Ohio))的那些。其他示例性環(huán)氧樹脂包括低粘度環(huán)氧樹脂，例如以商品名稱“HEL0XY”得自邁圖公司的那些。一般來講，表面改性的納米粒子包括無機核，該無機核具有結(jié)合至核表面的一種或多種表面改性劑。在一些實施例中，核包含金屬氧化物?？梢允褂萌魏我阎慕饘傺趸铩Ｊ纠越饘傺趸锇ǘ趸?、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、氧化釩、氧化鉻、氧化銻、氧化錫、氧化鋅、二氧化鈰以及它們的混合物。在一些實施例中，核包含沉積在另一種金屬氧化物上的一種金屬氧化物。在一些實施例中，核包含沉積在非金屬氧化物上的金屬氧化物。在一些實施例中，核包含碳酸鹽，如，方解石。方解石為碳酸鈣的晶體形式并且通常形成菱形晶體。在一些實施例中，核的原生粒度在約5納米至約500納米之間，且在一些實施例中為約5納米至約250納米，甚至在一些實施例中為約50納米至約200納米。在一些實施例中，核的平均直徑至少為約5納米，在一些實施例中，至少為約10納米、至少為約25納米、至少為約50納米，并且在一些實施例中，至少為約75納米。在一些實施例中，核的平均直徑不大于約500納米、不大于約250納米，并且在一些實施例中不大于約150納米?？梢愿鶕?jù)(如)透射電子顯微鏡(TEM)進行粒度測量。在一些實施例中，可能有利的是在用樹脂體系潤濕或浸潰纖維期間通過纖維控制例如最小化或甚至消除、過濾納米粒子。在制備連續(xù)纖維復(fù)合材料的過程中，可將較大的粒子或粒子聚集體過濾或?qū)⑵渑c樹脂體系分離，同時用樹脂體系使纖維飽和。這可導(dǎo)致粒子和樹脂在整個最終復(fù)合材料內(nèi)不均勻分布，從而導(dǎo)致物理性能降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺陷位點。在一些實施例中，至少70% (如，至少75%)的納米粒子核具有小于400nm的平均粒度。在一些實施例中，至少90%，在一些實施例中，至少95%，或甚至至少98%的核的平均粒度小于400nm，如小于200nm或甚至小于100nm。除了核之外，本發(fā)明的納米粒子經(jīng)表面改性，即，表面改性劑結(jié)合至核的表面。一般來講，本發(fā)明的表面改性劑包含至少結(jié)合基團和增容鏈段
增容鏈段-結(jié)合基團；其中“增容鏈段”指表面改性劑的增容鏈段。選擇增容鏈段以改善納米粒子與可固化樹脂的相容性。一般來講，增容基團的選擇取決于多個因素，包括可固化樹脂的性質(zhì)、納米粒子的濃度和所需的相容程度。當使用方解石納米粒子時，可用的增容劑包括聚環(huán)氧烷，如聚環(huán)氧丙烷、聚環(huán)氧乙烷以及它們的組合。當使用二氧化硅納米粒子時，典型的增容劑包括飽和或不飽和的芳族或脂族烴；聚鏈烷氧化物；以及它們的組合。在一些實施例中，可以選擇增容鏈段以提供包含表面改性的納米粒子和可固化樹脂的組合物的正的混合焓。如果混合焓為正值，則納米粒子在樹脂中的分散體通常為穩(wěn)定的。為確保正的混合焓，可以使增容鏈段的溶解度參數(shù)與可固化樹脂的溶解度參數(shù)相匹配。在一些實施例中，可以選擇材料，使得這些溶解度參數(shù)的差異不超過4J"2Cm_V2，并且在一些實施例中，不超過 2J1/2cnT3/2,如根據(jù) Properties of Polymers; Their Correlation with Chemical Structure;Their Numerical Estimation and Prediction from AdditiveGroup Contributions (聚合物的性能；其與化學結(jié)構(gòu)的相關(guān)性；其根據(jù)加成基團的貢獻的數(shù)值估計和預(yù)測)第三版，D. W. Van Krevelen 編輯，Elsevier Science Publishers B. V.,第7章，189-225(1990)，即“溶解度參數(shù)程序”所確定。已知有若干方法來確定諸如增容鏈段或樹脂之類的材料的溶解度參數(shù)。例如，材料的溶解度參數(shù)可以通過測量材料在一系列具有不同溶解度參數(shù)的溶劑中的平衡溶脹程度來確定。溶劑本身的溶解度參數(shù)可以由其蒸發(fā)熱確定。溶解度參數(shù)delta(S)按關(guān)系式S=(EMh/V)"2與內(nèi)聚能EMh和比容V關(guān)聯(lián)。對于低分子量的溶劑，根據(jù)Erah= Λ Hvap-P Λ V= Λ Hvap-RT,內(nèi)聚能與摩爾蒸發(fā)熱Λ Hvap密切相關(guān)。因此，可以由溶劑的蒸發(fā)熱或由蒸汽壓隨溫度變化的過程計算EMh和δ。為了確定材料的溶解度參數(shù)，用材料的平衡溶脹對溶劑的溶解度參數(shù)作圖。材料的溶解度參數(shù)定義為在此圖上獲得最大溶脹的點。對于溶解度參數(shù)比材料的小或者比材料的大的溶劑來說，溶脹將會較小?；蛘?，有若干已知方法用于根據(jù)官能團的加性貢獻對材料的溶解度參數(shù)進行理論估算。結(jié)合基團與核的表面鍵合，使表面改性劑與核連接。在一些實施例中，表面改性劑與核共價鍵合。這在核為二氧化硅時是典型的。在一些實施例中，表面改性劑與核離子結(jié)合(如，締合)。這對于方解石核而言是典型的。為了在加工組合物的過程中保持離子結(jié)合表面改性劑與核在一起，可能有利的是選擇對核具有高鍵能的結(jié)合基團?？墒褂妹芏确汉碚撚嬎銇眍A(yù)測鍵能。在一些實施例中，所計算的鍵能可以為至少0.6電子伏，如至少0.7電子伏。一般來講，結(jié)合能越大，結(jié)合基團將保持與粒子表面離子連接的可能性越大。在一些實施例中，至少0.8電子伏，如至少
0.9電子伏，或甚至至少0. 95電子伏的結(jié)合能可為有效的。在一些實施例中，結(jié)合基團包括膦酸，如具有下式的表面官能化劑
O
Il
比 β — f 一OH OH 0在一些實施例中，結(jié)合基團包括磺酸，如具有下式的表面官能化劑
權(quán)利要求
1.一種壓力容器，包括 周向封閉能夠用流體填充的開放空間的壁，其中所述壁包括鄰近所述開放空間的內(nèi)表面和與所述內(nèi)表面相反的外表面、第一末端、第二末端和軸向方向； 其中所述壁包括包含用纖維浸潰的樹脂體系的復(fù)合材料層；以及 其中所述樹脂體系包含可固化基體樹脂和多個表面改性的納米粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述壓力容器中至少一種復(fù)合材料層包含相對于所述軸向方向以大于70度的角度排列的纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力容器，其中至少一種復(fù)合材料層包含相對于所述軸向方向以不大于40度的角度排列的纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中至少一種復(fù)合材料層包含相對于所述軸向方向以介于40度和70度之間，包括40度和70度在內(nèi)的角度排列的纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，還包括第一頂蓋，所述第一頂蓋鄰近所述第一末端從所述壁延伸并且封閉所述開放空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力容器，還包括第二頂蓋，所述第二頂蓋鄰近所述第二末端從所述壁延伸，并且將所述開放空間與圍繞所述壓力容器的周圍環(huán)境隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述壁的垂直于所述軸向方向的橫截面為橢圓形。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述壓力容器為橢球體。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述可固化基體樹脂包括環(huán)氧樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述表面改性的納米粒子包括包含至少一種金屬氧化物的核、和與所述核的表面以共價鍵結(jié)合的表面改性劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓力容器，其中所述表面改性的納米粒子包括包含二氧化硅的核。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述表面改性的納米粒子包括包含方解石的核、和與所述核離子結(jié)合的表面改性劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述樹脂體系還包含橡膠增韌劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述壁還包括具有外表面和鄰近所述開放空間的內(nèi)表面的襯墊，其中所述復(fù)合材料層鄰近所述襯墊的所述外表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力容器，其中所述襯墊包含金屬和聚合物中的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述開放空間包含絕對壓力為至少IOMPa的流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述開放空間包含絕對壓力為至少30MPa的流體。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力容器，其中所述開放空間包含絕對壓力為至少SOMPa的流體。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓力容器，其中所述橡膠增韌劑包含核殼橡膠。
全文摘要
本發(fā)明描述了由纖維復(fù)合材料形成的壓力容器。所述纖維復(fù)合材料包含用含有分散在可固化基體樹脂中的表面改性的納米粒子的樹脂體系浸漬的纖維。
文檔編號F17C1/16GK102985747SQ201180034874
公開日2013年3月20日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月17日
發(fā)明者克里斯廷·L·通霍斯特, 埃米莉·S·根納, 彼得·D·孔多 申請人:3M創(chuàng)新有限公司