适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶及其制备方法与流程

本发明涉及高压容器，具体来讲，涉及一种适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶及其制备方法。

背景技术：

1、氢气是一种极易燃烧的气体，无色透明、无臭无味且难溶于水，氢气是世界上已知的密度最小的气体，可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，使得氢气的存储容器和管道需要使用特殊材料，设计也更加复杂。

2、高压容器用于在压力下储存和运输任何类型的气体。目前，高压容器通常分为五种类型：具有全金属结构的i型容器，载荷由金属结构承担；具有金属内衬，并用环向纤维包裹进行加固的ⅱ型容器，载荷由金属和纤维材料共同承担；具有金属内衬结构和完整的(环向/螺旋向)纤维增强包裹层的iii型容器，载荷由复合材料承担；金属内衬能够满足低透气性能以及强度性能，但它很重且存在匹配不兼容的问题，易腐蚀。具有塑料内衬结构和完整的(环向/螺旋向)纤维增强包裹层的iv型容器；具有无内衬复合结构的v型容器，载荷全部由复合材料承担，ⅴ型压力容器是一种复合压力容器。iv型和v型容器虽然在重量上有所减轻，但储氢过程中存在较高温差和压差，材料收缩易形成微小裂缝，常会发生漏气现象。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶的制备工艺，该制备工艺中，通过双酚f树脂、双酚a环氧树脂、碳纤维、环氧活性稀释剂、固化剂和碳纳米管复配得到超低温液氢环境使用树脂体系层，并通过等离子沉积工艺在该超低温液氢环境使用树脂体系层的内表面和外表面分别形成一层均匀覆盖的石墨烯膜，该石墨烯膜在等离子沉积过程中与超低温液氢环境使用树脂体系层形成化学结合，提升了石墨烯膜与超低温液氢环境使用树脂体系层的结合效果。本申请制备得到的无内衬纤维复合材料气瓶由瓶内到瓶外由石墨烯膜、超低温液氢环境使用树脂体系层、石墨烯膜结合制备得到，能够保证气瓶的力学性能和韧性，同时降低高温差和高压力差共同作用下气瓶中微裂纹的产生，防止使用过程中液氢渗透情况的发生。

2、本发明一方面提供一种适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶的制备工艺，所述制备工艺包括以下步骤：

3、s1：将双酚f树脂：双酚a环氧树脂：碳纤维：环氧活性稀释剂：固化剂：碳纳米管按质量比(50-70)：(30-50)：(10-15)：(20-30)：(15-30)：(3-8)进行熔融混合，在40-100℃下进行固化，得到超低温液氢环境使用树脂体系层。

4、s2：将步骤s1得到的超低温液氢环境使用树脂体系层放入真空室中，通入氦气，使真空室的气压升高到5×10-2-1×10-1pa，在磁场和微波的作用下，离化所述氦气，并采用生成的氦等离子体对超低温液氢环境使用树脂体系层进行清洗。

5、s3：向所述真空室内通入碳源气体，在氦等离子体激活作用下生成碳等离子体。

6、s4：将超低温液氢环境使用树脂体系层调整为正偏压，碳等离子体沉积到超低温液氢环境使用树脂体系层的表面，生成石墨烯碳膜，得到适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶。

7、本发明另一方面提供一种无内衬纤维复合材料气瓶，所述无内衬纤维复合材料气瓶采用上述制备工艺制备得到。

8、与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项：

9、(1)本发明适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶的制备工艺中通过双酚f树脂、双酚a环氧树脂、碳纤维、环氧活性稀释剂、固化剂和碳纳米管复配得到超低温液氢环境使用树脂体系层，并通过等离子沉积工艺在该超低温液氢环境使用树脂体系层的内表面和外表面分别形成一层均匀覆盖的石墨烯膜，该石墨烯膜在等离子沉积过程中与超低温液氢环境使用树脂体系层形成化学结合，提升了石墨烯膜与超低温液氢环境使用树脂体系层的结合效果。本申请制备得到的无内衬纤维复合材料气瓶由瓶内到瓶外由石墨烯膜、超低温液氢环境使用树脂体系层、石墨烯膜结合制备得到，能够保证气瓶的力学性能和韧性，同时降低高温差和高压力差共同作用下气瓶中微裂纹的产生，防止使用过程中液氢渗透情况的发生。

10、(2)本发明分别对碳纤维和碳纳米管进行预处理，使碳纤维进行羧基化，碳纳米管进行羰基化，增强碳纤维和碳纳米管的亲水性和极性，使碳纳米管的相容性和分散性能得到了改善；通过酯化反应将羟基化的碳纳米管枝接在表面羧基化的碳纤维表面，同时亲水性的碳纤维与双酚f环氧树脂和双酚a环氧树脂之间有着较好的粘结强度，保证气瓶具有良好的力学性能，同时能够降低碳纤维在受力过程中的滑移现象，从而抑制裂缝的产生和拓展。

11、(3)本发明增韧助剂为核壳颗粒；核壳颗粒中外壳材料为聚乙烯醇缩丁醛或聚甲基丙烯酸甲酯；核体材料为纳米氧化铝或纳米二氧化硅。外壳材料与双酚f环氧树脂和双酚a环氧树脂具有良好的相容性，能够保证环氧树脂的交联程度，同时有助于核壳颗粒在树脂中的均匀分散提高树脂体系的韧性。

技术特征：

1.适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述碳源气体流量为1-4sccm。

3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，对碳纤维进行预处理，预处理过程包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，对碳纳米管进行预处理，预处理过程包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述固化为在40-100℃下进行分阶段固化，所述分阶段固化包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，步骤s1中还包括增韧助剂，所述增韧助剂为核壳颗粒；核壳颗粒中外壳材料为聚乙烯醇缩丁醛或聚甲基丙烯酸甲酯；核体材料为纳米氧化铝或纳米二氧化硅；

7.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述环氧活性稀释剂为烷基缩水甘油醚、丙烯酸酯、醋酸酯、己内酯中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述烷基缩水甘油醚中烷基为丁基、辛基、乙基或苯基；

9.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述固化剂为脂肪胺类芳香固化剂和聚醚胺类固化剂复合物；

10.一种无内衬纤维复合材料气瓶，其特征在于，所述无内衬纤维复合材料气瓶采用如权利要求1-9任意一种制备工艺制备得到。

技术总结本发明提供了一种适用于超低温液氢环境的无内衬纤维复合材料气瓶及其制备方法，涉及高压容器技术领域。制备工艺包括以下步骤：将各原料进行熔融混合、固化，得到超低温液氢环境使用树脂体系层。然后在超低温液氢环境使用树脂体系层的表面进行碳等离子体沉积，生成石墨烯膜层。本发明制备得到的无内衬纤维复合材料气瓶具有良好的力学性能，能够避免高温差和高压力差共同作用下微裂纹的产生，防止使用过程中液氢渗透情况的发生。技术研发人员：屠硕,蔡立柱,裴金迪,杨波受保护的技术使用者：沈阳欧施盾新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2