碳纳米管复合材料压力容器、其制备方法及应用与流程

本发明涉及复合材料，尤其涉及一种碳纳米管复合材料压力容器、其制备方法及应用。

背景技术：

1、复合材料压力容器是一种先进的储存和运输气体或液体的高性能容器。其构建采用纤维增强材料与树脂基体相结合，赋予容器轻量化、高强度和抗腐蚀等优越性能。相较于传统金属容器，复合材料压力容器具备更低的密度，在航空航天、汽车及新能源等领域具有广泛应用。碳纤维具有高强、高模、耐高温、抗化学腐蚀等优异特性，是复合材料压力容器首选的纤维增强材料。然而，碳纤维材料存在韧性较差的问题，在小尺寸航空航天特种压力容器加工过程中，当弯折角过大或树脂含浸压力大时很容易导致纤维断裂损伤，影响压力容器的使用寿命和可靠性。

2、碳纳米管纤维被认为是新一代碳基高性能纤维材料，具有轻质、高强、高韧、高导电等优异性能，并兼具宽温域下的结构稳定性、优异的比电导率和导热性能等多种极端环境特性，是航空航天复合材料压力容器的理想纤维增强材料。与碳纤维材料相比，碳纳米管纤维不仅具有超高的力学强度(最高可达9.6gpa)，同时具有高韧、高导热特性，纤维缠绕加工性能更好，可以有效解决小尺寸特种压力容器加工中易断丝问题。

3、然而，目前碳纳米管纤维及其复合材料应用发展仍处于初始阶段，碳纳米管纤维材料以微米直径的纤维单丝为主要应用形态(如composites part a，84，2016，256)，导致纤维缠绕加工效率低，并且这种单丝浸胶缠绕的方式所形成的截面结构中树脂是扩散穿插在单丝纤维之间的，导致碳纳米管复合材料缺陷较多，并且容易因为应力集中而发生损伤，很难满足航空航天复合材料压力容器的应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管复合材料压力容器、其制备方法及应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种碳纳米管复合材料压力容器，其包括内衬以及包裹所述内衬的碳纳米管复合材料层；

4、所述碳纳米管复合材料层包括至少由树脂形成的基体以及分布于所述基体中的增强纤维束，所述增强纤维束为带状集束的多根碳纳米管纤维，且集束中的所述碳纳米管纤维之间存在界面融合；

5、并且，所述碳纳米管复合材料压力容器的至少局部位置的曲率半径在5cm以下。

6、第二方面，本发明还提供一种碳纳米管复合材料压力容器的制备方法，其包括：

7、使带状集束的多根碳纳米管纤维作为增强纤维束，与树脂接触后形成组合体；

8、使所述组合体在张力作用下缠绕至内衬的表面，形成容器前体；

9、对所述容器前体进行固化处理，以使所述树脂固化，获得所述碳纳米管复合材料压力容器。

10、第三方面，本发明还提供上述碳纳米管复合材料压力容器在介质存储中的应用。

11、进一步地，所述应用尤其是在航天器中的介质存储。航天器中，尤其对压力容器的小体积化、轻量化、高可靠性存在极高的要求，同时，航天器的工作环境为高真空、高辐射、高低温变化幅度大，对其中的压力容器的耐压能力、耐压力交变能力提出了更加苛刻的要求。现有的复合成型加工方式虽然能够提供可以应用的航天压力容器，但其综合耐受性能仍需进一步提高。

12、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

13、本发明所提供的碳纳米管复合材料压力容器通过将界面融合集束的碳纳米管聚集体与树脂相结合，形成界面分层的独特结构，包裹内衬，组合形成小径压力容器，上述独特层状结构带来了优异的强度、韧性以及应力分散能力，由此提供了该压力容器优异的耐压性能、可靠性以及耐压力交变的能力，非常适合应用在小型化的高压介质存储领域，尤其是在航天器中。

14、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种碳纳米管复合材料压力容器，其特征在于，包括内衬以及包裹所述内衬的碳纳米管复合材料层；

2.根据权利要求1所述的碳纳米管复合材料压力容器，其特征在于，所述内衬的材质包括不锈钢、铝合金、钛合金、橡胶、塑料中的任意一种或两种以上的组合；

3.根据权利要求1所述的碳纳米管复合材料压力容器，其特征在于，所述碳纳米管复合材料层中增强纤维束的体积分数为50-90％。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管复合材料压力容器，其特征在于，所述增强纤维束的宽度为1-10mm，厚度为10-200μm，力学拉伸强度≥5gpa。

5.根据权利要求1所述的碳纳米管复合材料压力容器，其特征在于，一根所述增强纤维束中的碳纳米管纤维的数目为100-1000。

6.权利要求1-5中任意一项所述的碳纳米管复合材料压力容器的制备方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述组合体的张力为1100n。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

9.权利要求1-5中任意一项所述的碳纳米管复合材料压力容器在介质存储中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用包括在航天器中的介质存储。

技术总结本发明公开了一种碳纳米管复合材料压力容器、其制备方法及应用。所述压力容器包括内衬以及包裹内衬的碳纳米管复合材料层；碳纳米管复合材料层包括至少由树脂形成的基体以及分布于基体中的增强纤维束，增强纤维束为带状集束的多根碳纳米管纤维，且纤维之间存在界面融合；压力容器的至少局部位置的曲率半径在5cm以下。本发明通过将界面融合集束的碳纳米管聚集体与树脂相结合，形成界面分层的独特结构，包裹内衬，组合形成小径压力容器，上述独特层状结构带来了优异的强度、韧性以及应力分散能力，由此提供了该压力容器优异的耐压性能、可靠性以及耐压力交变的能力，非常适合应用在小型化的高压介质存储领域，尤其是在航天器中。技术研发人员：勇振中,张永毅,安绍云,吴昆杰,闫美玲,陈健,邸江涛,李清文受保护的技术使用者：江西省纳米技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/2