具有濕法纏繞的cfk的壓力容器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用以制造壓力容器(1)的方法,該壓力容器包括金屬的內(nèi)襯(2),所述內(nèi)襯在其外殼(3)上利用帶有樹脂基質(zhì)的纖維復(fù)合材料(4)進(jìn)行增強(qiáng),其中,在至少一個(gè)加工步驟中使纖維復(fù)合材料的樹脂基質(zhì)經(jīng)受超聲處理。
【專利說明】
具有濕法纏繞的CFK的壓力容器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1所述的用以制造壓力容器的方法。在此,本發(fā)明是涉及一種用以制造特別是用于機(jī)動(dòng)車的氫壓力容器的方法?!颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)代機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是應(yīng)用氣態(tài)氫作為能量載體。為此,要將氫在高達(dá)700 倍超壓的所謂儲氫罐內(nèi)裝備于機(jī)動(dòng)車之中并攜帶。這種儲氫罐曾經(jīng)典型地作為具有高達(dá) 200倍超壓的鋼瓶被使用。為了實(shí)現(xiàn)更高的填充壓力,儲氫罐的壁也可以附加地由例如具有玻璃纖維和/或碳纖維(碳素纖維)的纖維復(fù)合材料構(gòu)成。
[0003]為了對這種氣體儲罐進(jìn)行填充,該氣體儲罐典型地具有加注管口,用于輸入和輸出氫,或者說用于為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)所需的氫。
[0004]例如由DE 000010156377A1已知一種高壓貯氣罐,該高壓貯氣罐包括一個(gè)圓柱狀的金屬容器(內(nèi)襯)的復(fù)合結(jié)構(gòu)和一個(gè)預(yù)制的外套管,特別是層合管構(gòu)成。為了制造該復(fù)合結(jié)構(gòu)高壓貯氣罐,將圓柱狀的金屬容器置入預(yù)制的外套管中并使其借助氣體壓力如此程度地變形和擴(kuò)張,以便在金屬容器與外套管之間產(chǎn)生一種力鎖合的且不可松脫的連接。內(nèi)襯例如由鋁合金構(gòu)成,而外套管由碳纖維層壓板構(gòu)成。
[0005]特別是在汽車工業(yè)中,一個(gè)目標(biāo)是減輕所有構(gòu)件的重量,由此也包括所攜帶的壓力罐。為了降低高壓貯氣瓶的重量,例如使用復(fù)合氣瓶(復(fù)合結(jié)構(gòu)瓶)。復(fù)合氣瓶包括所謂的內(nèi)襯,該內(nèi)襯在其長度的主要部分上借助于特殊的纏繞工藝用由玻璃、碳、芳族聚酰胺或者金屬絲構(gòu)成的復(fù)合纖維加以包纏。例如,在主要實(shí)際運(yùn)用的濕式纏繞方法中,在一個(gè)受控的纏繞過程中將纖維/樹脂層合物敷設(shè)到內(nèi)襯上,該纖維/樹脂層合物在后續(xù)的熱處理過程中獲得其最終使用特性。例如在DE 31 03 646C2、DE 38 21 852A1和US 3843010中對復(fù)合氣瓶及其制造進(jìn)行了說明。由DE 10 2006 051 376A1已知另一種壓力容器。該壓力容器利用乳制法(Walzverfahren)由金屬材料制作而成。為了提高強(qiáng)度或者說針對于用以減重的較薄金屬壁,也同樣要用纖維增強(qiáng)塑料包纏金屬的容器外側(cè)面。
[0006]借助自增強(qiáng)(Autofrettage)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的改善。作為自增強(qiáng),指的是一種用以延長在高的內(nèi)壓力下使用的(特別是纖維增強(qiáng)的)金屬空心體的壽命的方法。在此,使金屬空心體遭受高于以后工作壓力的內(nèi)壓力,從而使金屬內(nèi)襯塑化。卸壓之后,在該區(qū)域內(nèi)存在著壓力殘余應(yīng)力,所述壓力殘余應(yīng)力預(yù)防在以后的使用當(dāng)中形成裂紋并且由此將瞬時(shí)疲勞強(qiáng)度(Zeitfestigkeit)提升到耐久疲勞強(qiáng)度(Dauerfestigkeit)。同樣,在文獻(xiàn)DE 102011007361A1中也記載了這樣的實(shí)例。
[0007]在前述利用纖維層來包覆內(nèi)襯的濕式纏繞過程中所存在的缺點(diǎn)是:在各不同工藝步驟中出現(xiàn)將空氣非期望地帶入樹脂系統(tǒng)中的情況。夾雜在里面的氣泡導(dǎo)致提高的孔隙度以及因而導(dǎo)致較小的纖維體積密度。其結(jié)果一是纖維基質(zhì)在內(nèi)襯上的附著較差,還有就是強(qiáng)度問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]因此,本發(fā)明的目的在于,克服前述缺點(diǎn)并提供一種壓力容器,該壓力容器在包覆殼層上由纖維體積密度高、纖維基質(zhì)附著最佳化且剛性提高的纖維材料構(gòu)成,從而可以減小壓力容器的壁厚并因此降低其總重量。
[0009]此目的通過具有權(quán)利要求1特征的方法得以實(shí)現(xiàn)。
[0010]本發(fā)明的基本思想是:在制造過程期間,優(yōu)選在將纖維復(fù)合材料繞制到內(nèi)襯外殼上的纏繞過程期間,借助超聲處理來提高針對夾雜在樹脂系統(tǒng)內(nèi)的空氣或氣泡的除氣率, 以便由此而減少樹脂系統(tǒng)內(nèi)的殘余氣體量,這樣就導(dǎo)致纖維復(fù)合材料的較低的孔隙度和提尚的剛性。
[0011]據(jù)此,根據(jù)本發(fā)明提出了一種用以制造壓力容器的方法,該壓力容器包括金屬的內(nèi)襯,所述內(nèi)襯在其外殼上利用帶有樹脂基質(zhì)的纖維復(fù)合材料、優(yōu)選利用CFK(碳纖維增強(qiáng)塑料)_纖維復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng),其中,在至少一個(gè)加工步驟中使纖維復(fù)合材料的樹脂基質(zhì)經(jīng)受超聲處理。
[0012]在本發(fā)明的一種有益的實(shí)施方式中,在超聲處理時(shí)超聲波的特性選擇為:實(shí)現(xiàn)從樹脂基質(zhì)中去除所含空氣或氣泡的最大限度提高的除氣率。為此可以使超聲波的強(qiáng)度和波長與內(nèi)襯的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性協(xié)調(diào)一致。與未使用超聲處理的方法相比,可以借助適當(dāng)?shù)姆治龇椒▉泶_定除氣率和殘余氣體密度。富有成效之除氣的一種同樣適用的證明是孔隙度測定,該孔隙度測定可以在破壞性的或者無破壞的測量中實(shí)現(xiàn)。利用本發(fā)明的超聲處理措施,與未經(jīng)處理的樹脂基質(zhì)相比,可以將孔隙度降低到約0.05至0.75(約5%至75%)的值。
[0013]在本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中,借助纏繞方法、優(yōu)選濕式纏繞方法將纖維復(fù)合材料敷設(shè)到內(nèi)襯的外殼上。
[0014]有益的是,在纏繞方法期間實(shí)施超聲處理。作為對此的補(bǔ)充,也可以在纏繞過程之前利用超聲波對液態(tài)的樹脂浴或經(jīng)浸漬的樹脂基質(zhì)進(jìn)行處理。在本方法的進(jìn)一步有益的實(shí)施方式中,還(仍然)可以在樹脂的硬化過程期間,優(yōu)選在真空室內(nèi)進(jìn)行對樹脂基質(zhì)的樹脂的超聲處理。通過在纏繞時(shí)和/或在硬化時(shí)應(yīng)用負(fù)壓而進(jìn)一步促進(jìn)除氣,從而能夠?qū)崿F(xiàn)低的殘余氣體密度。[0〇15]在超聲處理中有益地借助至少一個(gè)以機(jī)械方式或以聲學(xué)方式親聯(lián)于金屬的內(nèi)襯上的超聲波探測器進(jìn)行超聲波輸入。例如也可以使用兩個(gè)超聲波探測器,其中,將所述超聲波探測器耦聯(lián)于壓力容器的內(nèi)襯的各一個(gè)入口管接頭或出口管接頭上。
[0016]在本方法的一種優(yōu)選設(shè)計(jì)中,為了用纖維復(fù)合材料纏繞,使內(nèi)襯圍繞其軸線、優(yōu)選圍繞旋轉(zhuǎn)對稱的壓力容器的中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在這種情況下特別有利的是,超聲波的輸入按下述方式進(jìn)行:僅僅在上部半殼的當(dāng)內(nèi)襯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)地位于上部的區(qū)域中通過超聲激勵(lì)來提高除氣率。由此避免了:在下側(cè)流出的氣體不能向上逸出,這樣會違背所期望的效應(yīng)。這一點(diǎn)可以通過適當(dāng)選擇超聲波傳感器并將其匹配地耦聯(lián)于內(nèi)襯上得以實(shí)現(xiàn),使得只有上部半殼進(jìn)入所期望的超聲波共振。
[0017]—種特別有益的設(shè)計(jì)在于鋁內(nèi)襯與CFK-纖維的組合。然而,在內(nèi)襯為其他金屬材料的情況下,纖維復(fù)合材料也可以有益地包括碳素纖維和/或玻璃纖維。【附圖說明】
[0018]本發(fā)明其他一些有益發(fā)展設(shè)計(jì)的特征在從屬權(quán)利要求中表明或者在下文結(jié)合對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的說明借助附圖詳細(xì)地示出。
[0019]附圖示出:
[0020]圖1為具有兩個(gè)所設(shè)置的用以輸入超聲波的超聲波探測器的壓力容器的示意性剖視圖。【具體實(shí)施方式】
[0021]在圖1中示意性地示出了利用兩個(gè)所設(shè)置的用以輸入超聲波的超聲波探測器5a、 5b對壓力容器1進(jìn)行超聲處理的工藝步驟。該實(shí)施例示出一個(gè)包括鋁內(nèi)襯2的壓力容器1,該鋁內(nèi)襯在其外殼3上借助纏繞方法利用帶有樹脂基質(zhì)的纖維復(fù)合材料4進(jìn)行了增強(qiáng)。
[0022]本方法這樣執(zhí)行:內(nèi)襯2圍繞其軸線6旋轉(zhuǎn),以便用纖維復(fù)合材料進(jìn)行纏繞。因此總是有一個(gè)半體2a(上部的半殼)位于通過軸線6形成的水平剖分面的上方,而另一半體2b(下部的半殼)位于所述剖分面的下方。應(yīng)該指出的是:所說“半殼”的概念并非意味著內(nèi)襯由2 個(gè)半體拼接組成,而是僅僅表示這樣的區(qū)域,該區(qū)域要么位于剖分面上方要么位于剖分面下方。[〇〇23]在纏繞的加工步驟中,使纖維復(fù)合材料4的樹脂基質(zhì)經(jīng)受超聲處理,具體而言是通過耦聯(lián)兩個(gè)超聲波探測器5a、5b,這些超聲波探測器安裝在壓力容器1的內(nèi)襯2的入口管接頭7a上和出口官接頭7b上。[〇〇24]超聲處理時(shí)超聲波的特性這樣選擇:一方面實(shí)現(xiàn)從樹脂基質(zhì)中去除所含空氣或氣泡的提高的除氣率,以及另一方面占絕對主導(dǎo)地位的是,在上部半殼的區(qū)域內(nèi)激勵(lì)除氣。換言之,這就意味著:超聲波的輸入要按下述方式進(jìn)行,即,主要或者僅僅在當(dāng)內(nèi)襯2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)地位于上部的區(qū)域中,也就是說在上部半殼2a的區(qū)域中,通過超聲激勵(lì)來提高除氣率。
[0025]盡管如此,也可以在整個(gè)外殼上進(jìn)行激勵(lì)以及除氣并且使用相應(yīng)的超聲激勵(lì)。 [〇〇26]在纏繞方法/工藝結(jié)束和敷設(shè)纖維復(fù)合材料4之后的另一工藝步驟中,在真空爐內(nèi)進(jìn)行硬化。在硬化期間也同樣實(shí)施對樹脂基質(zhì)的樹脂的超聲處理。
[0027]本發(fā)明在其設(shè)計(jì)形式上并不局限于前述的優(yōu)選實(shí)施例。確切地說,還可考慮多種變型,所示解決方案的這些變型同樣也應(yīng)用在一些原則上不同類型的設(shè)計(jì)形式中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用以制造壓力容器(1)的方法,該壓力容器包括金屬的內(nèi)襯(2),所述內(nèi)襯在其外殼 (3)上利用帶有樹脂基質(zhì)的纖維復(fù)合材料(4)進(jìn)行增強(qiáng),其中,在至少一個(gè)加工步驟中使纖 維復(fù)合材料的樹脂基質(zhì)經(jīng)受超聲處理。2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,在超聲處理時(shí)超聲波的特性選擇為:實(shí)現(xiàn)從 樹脂基質(zhì)中去除所含空氣或氣泡的提高的除氣率。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,借助纏繞方法將纖維復(fù)合材料(4)敷設(shè)到 所述內(nèi)襯(2)的外殼(3)上。4.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,在纏繞方法期間實(shí)施超聲處理。5.如權(quán)利要求2或3所述的方法,其特征在于,在超聲處理時(shí)借助至少一個(gè)以機(jī)械方式 或以聲學(xué)方式耦聯(lián)于金屬內(nèi)襯(2)上的超聲波探測器(5a,5b)進(jìn)行超聲波輸入。6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,將所述超聲波探測器(5a,5b)耦聯(lián)于所述壓 力容器(1)的內(nèi)襯(2)的至少一個(gè)入口管接頭或出口管接頭上。7.如權(quán)利要求3至6之任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述內(nèi)襯(2)圍繞壓力容器(1) 的軸線(6)旋轉(zhuǎn),以便用纖維復(fù)合材料纏繞。8.如權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,超聲波的輸入按下述方式進(jìn)行:僅僅在上部 半殼(2a)的當(dāng)內(nèi)襯(2)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)地位于上部的區(qū)域中通過超聲激勵(lì)來提高除氣率。9.如前述權(quán)利要求1至8之任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,在敷設(shè)纖維復(fù)合基質(zhì)之前 和/或在硬化過程期間,優(yōu)選在真空室內(nèi)進(jìn)行對樹脂基質(zhì)的樹脂的超聲處理。10.如前述權(quán)利要求1至9之任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述纖維復(fù)合材料包括碳 素纖維和/或玻璃纖維。
【文檔編號】F17C1/06GK105980763SQ201580005817
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年3月16日
【發(fā)明人】T·克里斯特
【申請人】寶馬股份公司