复合材料压力容器的研究与制备

复合材料压力容器的研究与制备

毛海宇

江苏弘帮能源科技有限公司   江苏省靖江市   214536

摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对压力容器的应用也越来越广泛。复合材料气瓶因其具备储量大、质量轻、防腐蚀、防高温等多种优良特性而被各行各业广泛使用。本文首先分析复合材料压力容器研究进展，其次对复合材料压力容器的研究，以供参考。

关键词：复合材料压力容器;国产碳纤维;湿法缠绕

引言

压力容器一般可以在高压、高温以及强化学腐蚀等恶劣环境中使用，环境的恶劣程度决定了制造压力容器的材料在性质基本上都具有耐高温、耐高压以及耐腐蚀等特点。为保证压力容器设计时能够具备上述特点，并且在恶劣环境中的适应程度，需要对它的安全性能给予高度的关注，同时还要保证所有的设计参数都应符合相关法律法规和行业规范的要求。随着单层厚度的降低，进一步抑制了复合材料横向铺层中的基体开裂，从而延缓了结构的失效。结合超薄单层复合材料的力学性能优势，将超薄单层复合材料应用到压力容器中将会进一步拓宽压力容器的设计思路。

1压力容器模型

参考美国航空航天局（NASA）格伦研究中心无人机用低温球形贮箱结构，建立压力容器分析模型。球形压力容器和传统的压力容器的复合材料缠绕方法不同，球形压力容器没有封头段和直筒段，各个部位的承载需求是均匀一致的。因此，［45°/-45°/0°/90°］s的复合材料缠绕层铺层方式适用于球形压力容器。复合材料层在压力容器极孔附近会出现纤维堆积现象，该处的复合材料层厚度要高于赤道处的厚度，因此采用变截面的有限元模型进行复合材料层的模拟。复合材料压力容器的有限元模型可以采用容器的1/4模型、1/8模型及1/36模型进行研究，但模型的应力和应变的分布往往是不均匀的，不符合复合材料压力容器的真实受载情况。依据复合材料球形压力容器的对称性特点，本文采用压力容器经向的1/36模型、纬向的1/4模型进行研究，以保证模拟结果的可靠性。

2复合材料压力容器的制备

2.1缠绕张力

为了改善压力容器的抗疲劳强度，并且还可以设计纤维在内胆上进行线性排列，使气瓶的金属内胆与外部纤维缠绕层之间产生一定预应力，就需要在缠绕过程中施加一定的张力。其中最实用、最有意义的是在纤维缠绕后使各层的应力相等，即等张力缠绕。GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶标准》的修改借鉴了国外标准，但由于国内纤维缠绕各层间张力普遍较小，因此对各层预应力标准并未明确。随着科技的不断进步，纤维缠绕可以在更大而稳定的张力下进行。

2.2固化工艺

固化工艺指的是使树脂分子内部那些具有流动性的线性分子结构转变成不溶、不熔的网状分子结构，使之发生交联反应的过程。固化工艺可以通过粘结所使用的纤维，让其拥有更加优异的物理化学性能，因此固化工艺是设计纤维缠绕复合材料气瓶的重要步骤。根据所设计气瓶的选材不同，所使用的固化剂也多种多样，通常固化剂的分类为：低温固化剂，常温（室温）固化剂以及高温固化剂。因为低温固化剂、常温固化剂容易在工艺未结束时使得纤维提前凝固，不易控制，因此本文选用高温固化剂进行固化工艺。因其具有耐高温，粘结牢，抗风蚀等优异性能，对纤维进行固化后，可以提升纤维的耐热和抗冲刷性能。

2.3CFRP压力容器制备

金属接嘴和底座通过氯化丁基橡胶包覆粘接,固定在预制可溶性芯模上,形成完整内衬层。采用湿法缠绕成型工艺进行复合材料结构层成型,按照缠绕机电脑程序设定的线型,将浸胶纤维缠绕在内衬上,耳片和复合材料结构层一体成型。压力容器柱段部分的主应力方向为环向和纵向,当缠绕纤维的方向为主应力方向时,纤维的高强性能可以得到充分发挥,因此在柱段部分增加环向纤维缠绕以满足强度设计要求。缠绕结束后进行加压固化成型,溶解可溶性芯模。CFRP压力容器设计满足技术要求,并成功验证了国产碳纤维-拓展CCFT700S在CFRP压力容器上的应用可行性。

2.4固化温度

本文采用干法缠绕对碳纤维缠绕复合材料气瓶进行缠绕，根据固化工艺的要求，整个过程分为升温阶段、恒温阶段和降温冷却阶段。升温阶段的升温速率要保持稳定，否则会导致低分子物质的化学反应变得剧烈，从而产生大量气泡。升温速率慢一些可以将气泡排出。恒温阶段是为了让树脂进行充分固化，使气瓶不会因为内应力而导致气瓶整体开裂，让气瓶进行固化收缩使各个部位达到平稳。降温阶段降温的过程一定不能过快，要缓慢进行，不可骤降温度，因为纤维缠绕气瓶顺向的线膨胀系数是垂向的4倍，因此垂向纤维更易发生干裂，缓慢冷却可以保证各个部分收缩一致。为了避免固化剂出现低温析出的情况，纤维缠绕过程中的浸渍环境温度在15℃以上为佳。

2.5复合材料强度试验

为了获得复合材料强度和单层厚度的关系，对不同单层厚度（24，55，75，100µm）的准各向同性复合材料层合板进行单向拉伸试验。依据ASTMD5083-17试验标准制备试验件。试验件长度250mm，宽度25mm，端部贴长度50mm、厚度3mm的玻璃钢加强片，加强片倒角为45°。轴向加载过程由胜工电子万能试验机完成，加载速度为2mm/min。所有数据以2Hz的采样频率进行记录，直至试验件失效。

3结果讨论

复合材料缠绕压力容器受到内压时，纤维起主要的承载作用。在模拟过程中，按照梯度加载的方式在压力容器模型内部施加内压，采用Hashin准则判断纤维是否失效，并将第3节提出的强度模型作为Hashin准则中纤维方向拉伸强度。由于纤维失效属于脆性断裂，单元达到强度值后刚度立即线性折减至最低值。不同单层厚度铺层压力容器复合材料层的应力分布及纤维损伤分布规律基本一致，由于极孔处的纤维堆积导致层厚较高，因此在此区域的应力值较低，随纬度圆半径的增加应力值上升，在赤道附近的失效区域应力值出现了一定的波动分布。3种单层厚度的压力容器表面复合材料层最大主应力分布规律基本一致，由极孔到赤道逐渐增加，层厚越低，增长速度越快，极孔处的曲线比较平滑，赤道处出现一定的波动。由曲线的增长率可知，虽然复合材料层单层厚度较低的压力容器失效内压更高，但其应力分布不如单层厚度较高的压力容器更均匀。3种单层厚度的压力容器表面损伤系数分布曲线基本重合，极孔处的损伤程度最低，损伤最严重区域均出现在压力容器赤道处，因此复合材料缠绕层的薄层化不会对容器的失效区域产生影响。

结语

综上所述，复合材料性能的准确评估对结构轻量化的发展具有重要意义。基体材料可以通过裂缝和其他形式的损伤吸收能量,纤维层局部失效不会导致其快速失效,安全性高。目前,我国与国外同等级别的碳纤维可以满足复合材料压力容器的设计指标要求,产业链原材料端更为健全。通过不断优化改进现有的纤维缠绕工艺,细化和完善检测标准,推动复合材料压力容器成型工艺研究向着仿真与制造一体化、整瓶优化、高性能和低成本化方向发展,能够加快中国能源结构优化、低碳化和可持续化,在今后的研究工作中将重点发展考虑单层厚度的复合材料强度准则，以更准确地评估结构的力学性能。

参考文献

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