高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展

高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展

姜昭斌 姜松

威海光威复合材料股份有限公司  264211

摘要：碳纤维复合材料以其高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀等优异特性，在航天、军事和民用领域中得到广泛应用。随着碳纤维复合材料的性价比提高和复合材料制造技术的发展，碳纤维复合材料耐压容器在导弹发动机、火箭发动机壳体、卫星贮箱、交通运输和自救呼吸装置等方面的应用前景十分乐观。本文综合相关研究成果，主要探讨高性能碳纤维复合材料耐压容器的研究进展，为进一步提升碳纤维复合材料耐压容器的性能和可靠性提供参考。

关键词：高性能碳纤维；复合材料；耐压容器

1碳纤维复合材料的主要使用范围

碳纤维的特性使其在军事和民用领域中具有广泛的应用前景。碳纤维复合材料可以用于制造导弹发动机的耐压容器，因为碳纤维具有高强度和高模量的特性，能够承受高压和高温环境,它们的轻量化特性也可以减轻整体重量，提高导弹的性能。同时，碳纤维复合材料耐压容器可用于卫星贮箱，这些贮箱用于储存和保护卫星上的燃料、气体或其他液体[1]。碳纤维的高强度和抗化学腐蚀性使其成为这些应用的理想选择。碳纤维复合材料耐压容器可以在天然气瓶等交通运输领域中得到应用。相比传统的金属容器，碳纤维容器具有更轻的重量和更高的强度，提供了更好的安全性能和节能效果。在自救呼吸装置中，碳纤维复合材料耐压容器可以用于存储氧气或其他气体，需要具有高强度、轻量化和耐腐蚀性能，以确保在紧急情况下提供可靠的气体供应。随着碳纤维复合材料生产工艺的改进与成本的进一步降低，预计碳纤维复合材料耐压容器在上述领域的应用将继续增加。这将有助于提高设备性能、减轻重量、增加安全性，并带来更多创新的解决方案。不同规格碳纤维的参数对比情况见表1。

表1 不同规格碳纤维的参数对比

2碳纤维复合材料在高压容器中的应用

2.1碳纤维复合材料在承受内压容器中的应用

航空航天、导弹等领域对轻质、高性能的压力容器提出了更高的要求。一种常用的设计方式是使用金属衬里（例如，铝，钛，不锈钢），并在外部缠绕复合材料（如碳纤维）以提供增强性能。该金属衬里复合材料被广泛用于汽车和军用飞行器上。在这一领域，美国的SCI（Structural Composites Industries）是一个具有23年制造复合压力容器历史的开拓者。他们专注于制造铝箔/碳素纤维包覆式压力容器，并在该领域取得显著成就。SCI的经验使他们成为该领域的专家，他们的产品广泛应用于航天器、汽车、军用飞机等领域。这种薄壁铝合金/碳纤维缠绕压力容器的设计和制造需要综合考虑多个因素，包括材料选择、结构设计、制造工艺和质量控制。金属内衬提供容器的刚性和耐压能力，而碳纤维复合材料本身便具有轻质和高强度的特性，从而实现了轻量化和高性能的目标。金属内衬复合材料压力容器的应用领域包括航天器、导弹系统、汽车和军用飞机等，这些领域对于轻质高性能容器的需求非常迫切。SCI作为压力容器制造的经验丰富的公司，为满足这些需求提供了可靠的解决方案，并为行业的发展做出了重要贡献，如表2。

表 2 SCI生产的部分压力容器性能

金属内衬碳纤维缠绕压力容器的制造过程通常涉及以下步骤：①内衬检测。对金属内衬进行检测以确保其质量和完整性。常见的内衬检测方法包括X射线探伤、超声波检测、磁粉检测等，用于发现可能存在的缺陷、裂纹或其他问题。②结构设计。根据压力容器的要求和应用场景，进行结构设计。这包括确定内衬和缠绕层的材料、尺寸、壁厚等参数，以及容器的整体几何形状和连接方式等。③缠绕成型。采用缠绕工艺将碳纤维复合材料绕制在金属内衬上。这个过程中，需要确保复合材料与内衬的良好粘结，并且按照设计要求进行合理的缠绕角度和层数。④试验。制造完成的压力容器需要进行各种试验以验证其性能和安全性。这些试验可能包括：一是X射线探伤。通过X射线或其他射线检测方法，检查容器是否存在内部缺陷或损伤。二是尺寸检测。测量容器的尺寸和几何形状，确保其符合设计要求。三是水压检测。在容器内施加水压，检测容器的耐压性能，以确保容器在工作压力下不发生泄漏或破裂。四是常温和极限温度疲劳试验。在不同温度条件下，施加周期性负载，检测容器的疲劳性能和寿命。五是最终交付产品。在完成所有试验和质量检查后，合格的压力容器将被交付给客户或最终用户使用。这些步骤的实施需要严格遵循相关的制造标准和规范，以确保压力容器的质量和安全性能。同时，制造过程中的质量控制和质量保证措施也起着关键的作用，以确保最终交付的产品符合要求。

2.2碳纤维复合材料在潜水外压容器中的应用

潜水外压容器对海洋勘探与开发，科研与水下武器装备，都有很大的影响。特别是在深水潜水设备中，对外压容器的要求更高。碳纤维复合材料由于其高强度、高模量、低密度和尺寸稳定性好的特点，并具有良好的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂的腐蚀能力，是大深度潜水外压容器的首选[2]。例如，法国的一种鱼雷，其外壳由一种碳纤维复合材料制成，在水下的最大潜水深度超过了100 m。碳纤维复合材料的应用使得鱼雷具备了更高的耐压强度和更大的潜水深度。现在，在潜水外压容器中，最常见的外壳材料是铝合金。但是，如果使用 CFRP复合材料，则可以使壳体的压缩强度提高9-29%。这一改良措施对提高船壳抗静水压的能力和增大潜深有显著作用。碳纤维复合材料在潜水外压容器中的应用具有显著的优势。其高强度、高模量和低密度等特性，以及耐腐蚀性能的优异表现，使其成为满足大深度潜水要求的理想材料选择。随着技术的进一步发展，碳纤维复合材料在潜水外压容器领域的应用前景将更加广阔。

结束语：综合来看，尽管碳纤维复合材料耐压容器在技术上取得显著的进展，但仍面临一些挑战。高性能碳纤维复合材料耐压容器在航天、军事和民用领域中具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和研究的深入，碳纤维复合材料耐压容器将继续发挥其优越的特性和潜力，为各个领域的应用提供更高效、可靠和安全的解决方案。

参考文献：

[1]刘鹏, 高性能碳纤维复合材料轴辊先进制造技术及应用开发. 山东省,淄博朗达复合材料有限公司,2021-07-09.

[2]梁训美, 工程用高性能碳纤维复合材料智能制造新模式应用. 山东省,山东路德新材料股份有限公司,2019-12-28.

[3]廖寄乔, 高性能碳纤维复合材料导流筒及其制备技术. 湖南省,湖南金博碳素股份有限公司,2016-12-28.