[00932736]超轻量化自修复复合材料压力容器设计方法与制备技术及其应用

复合材料压力容器因其具有轻质高强的特点，在航空航天、民用储气等领域得到广泛应用。但是，随着科学技术的进步，新能源汽车、先进发动机系统等新技术和新装备对其重量、结构效率和结构功能等方面提出了苛刻的要求，传统容器已无法满足，迫切需要研制一种新型的高结构效率的超轻量化复合材料压力容器。国际上，只有美国的SCI、Lincoln和德国MTaerospaceAG等少数公司具有研制能力，相关技术、设备与产品对中国严密封锁。课题组在国家863计划、国家自然科学基金及省火炬计划《碳纤维复合材料气瓶的制造方法》的支持下，历经十年刻苦攻关，针对复合材料压力容器轻量化、气密性、功能化等技术要求，突破了超薄金属内衬、变刚度设计、小角度纤维缠绕等关键技术，成功研制出超轻量化自修复复合材料压力容器，相对同尺寸、同压力的传统复合材料压力容器减重30%。该项目拥有全部自主知识产权，已申请发明专利12项，获授权6项，软件著作权1项，发表代表性学术论文20余篇。该项目的三项核心发明如下(1)针对轻量化复合材料压力容器的特点及减重要求，基于封头段所有纤维纱带总体积不变原理，发明了三次样条函数封头厚度预测方法，提高了封头厚度的预测精度，实现了变刚度优化设计，有效地减轻了复合材料压力容器的结构重量；(2)针对缠绕过程中封头堆积、滑线、架空等关键工艺技术难题，发明了缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的表征方法，获得了稳定缠绕范围内的滑线系数与缠绕角的连续对应关系，解决了回转曲面上变角度纤维轨迹难以连续稳定缠绕的难题，实现了复合材料压力容器的减重优化设计；(3)针对轻量化复合材料压力容器可重复使用次数的问题，采用原位聚合法合成出了内含修补剂的微胶囊，揭示了纳米胶囊纤维缠绕复合材料结构的自修复机理，建立了自修复效率表征与评价方法，制备出了具有自修复功能的超轻量化复合材料压力容器，提高了使用寿命。该项目于2010年12月18日进行了省级成果鉴定，由院士、国内知名专家组成的鉴定委员会一致认为所研制的超轻量化复合材料压力容器填补了国内在该领域的研究空白，其总体水平达国际先进水平，在缠绕纤维与芯模表面间滑线系数表征以及变刚度优化设计方法等方面达到国际领先水平，使中国成为继美、德之后成功掌握超轻量化复合材料压力容器设计与制造技术的国家。该项目的研究成果已在北京航天动力研究所、西安航天动力研究所、哈尔滨华美亿丰玻璃钢制品有限公司、哈工大国家大学科技园发展有限公司、哈尔滨美钝复合材料有限公司等单位得到应用，解决了相应的关键技术问题，分别应用在航天、民用、军工项目上，创利润2072万元，取得了良好的经济与社会效益，特别是在新能源汽车领域具有广阔的应用前景，潜在经济效益上亿元，将通过黑龙江省高性能纤维及先进复合材料产业技术创新战略联盟进行市场开拓和推广应用。