玄武巖纖維全纏繞壓力容器的研制與驗證

齊　磊，劉揚濤，王大為，張剛翼，黃　興，歐陽新峰

(1.中國復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，北京 100037；2. 沈陽中復(fù)科金壓力容器有限公司，沈陽 110141)

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·工藝與設(shè)備·

玄武巖纖維全纏繞壓力容器的研制與驗證

齊磊1，劉揚濤2，王大為2，張剛翼1，黃興1，歐陽新峰1

(1.中國復(fù)合材料集團(tuán)有限公司，北京 100037；2. 沈陽中復(fù)科金壓力容器有限公司，沈陽 110141)

摘要:選用玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，制備了NOL環(huán)試樣，進(jìn)行了濕熱處理和剪切試驗驗證。根據(jù)網(wǎng)格理論，針對2.4 L玄武巖纖維纏繞氣瓶進(jìn)行了復(fù)合層設(shè)計，確定了纖維纏繞厚度和纏繞角度，對所制樣品進(jìn)行了疲勞及爆破試驗驗證。結(jié)果表明：玄武巖纖維復(fù)合材料較玻璃纖維復(fù)合材料具有更優(yōu)的界面粘結(jié)和濕熱老化特性，所制備的氣瓶經(jīng)過0-21+0.2-0 MPa壓力循環(huán)的10 000次疲勞實驗后未發(fā)生泄漏；爆破壓力為77.1 MPa，驗證了設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞:玄武巖纖維；濕熱老化；壓力容器；疲勞試驗；爆破試驗

1概述

目前復(fù)合材料壓力容器[1-3]使用的增強(qiáng)材料主要為玻璃纖維和碳纖維。玻璃纖維復(fù)合材料存在一些自身的特點：強(qiáng)度高、彈性模量高，但是存在耐候性差，吸水性高，對酸、堿和其他腐蝕性介質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性比較差的缺點。碳纖維復(fù)合材料的特點比較突出，強(qiáng)度、模量、耐候性、耐腐蝕性均較玻璃纖維顯著，但存在明顯的缺點：成本過高，采購容易受到市場限制。玄武巖纖維具有其特殊的優(yōu)勢[4-5]，強(qiáng)度較玻璃纖維有所提高，耐水性、耐候性的優(yōu)勢較玻璃纖維更加明顯，相比碳纖維也具有明顯的成本優(yōu)勢——這為制備一種耐老化特性優(yōu)良、成本低廉的高壓容器提供了可能。

本研究以玄武巖纖維纏繞氣瓶的強(qiáng)度設(shè)計為切入點，針對玄武巖纖維復(fù)合材料的耐老化特性進(jìn)行了研究，完成了玄武巖纖維氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣品的試制，并對該氣瓶進(jìn)行了疲勞及爆破試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求，為玄武巖纖維在壓力容器領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了支撐。

2實驗材料與方法

實驗材料：CYD128環(huán)氧樹脂，中石化巴陵石油化工有限責(zé)任公司；固化劑甲基四氫苯酐、促進(jìn)劑甲基六氫苯酐，天津合成材料研究所；樹脂體系重量比為100：83：1。BC13-1200玄武巖纖維，四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司；ER550-1080玻璃纖維，重慶國際復(fù)合材料有限公司。

實驗方法如下：

1. NOL環(huán)及壓力容器的制備。將樹脂、固化劑和促進(jìn)劑按重量比混合，攪拌均勻注入膠槽，利用DN450-2000型號四維三軸數(shù)控纏繞機(jī)，分別采用玄武巖纖維和玻璃纖維在專有模具上制備NOL環(huán)試樣；采用玄武巖纖維作為增強(qiáng)材料纏繞制備復(fù)合材料壓力容器。

該壓力容器具體規(guī)格為：公稱容積V=2.4 L，工作壓力為20 MPa；技術(shù)指標(biāo)為：經(jīng)過0-21+0.2-0MPa的壓力循環(huán)10000次不發(fā)生泄漏；爆破壓力≥68 MPa；本研究所選用的鋁合金內(nèi)襯尺寸見圖1：

圖1　鋁合金內(nèi)襯尺寸

2. NOL環(huán)剪切試驗。將NOL環(huán)試樣置于100℃的蒸餾水中濕熱處理24 h，按照GB/T 1461—1988( 纖維增強(qiáng)塑料環(huán)形試樣剪切試驗方法)，在萬能材料試驗機(jī)上分別測試兩種NOL環(huán)的剪切強(qiáng)度。

3. 疲勞及爆破實驗。按照GB 9252—2001-T《氣瓶疲勞試驗方法》及GB 15385—2011《氣瓶水壓爆破試驗方法》，利用疲勞試驗機(jī)和水壓爆破試驗機(jī)對壓力容器進(jìn)行，記錄爆破值及爆破位置情況。

3結(jié)果與分析

3.1玄武巖纖維及NOL環(huán)的性能研究

本文首先針對玄武巖纖維的基本性能進(jìn)行了研究，并與纏繞氣瓶領(lǐng)域常用的ER-550玻璃纖維進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

表1　兩種纖維的基本性能

由表1可以看出，本研究所選的玄武巖纖維強(qiáng)度和模量均高于玻璃纖維，兩種纖維的直徑和密度基本相當(dāng)，玄武巖纖維的吸濕率遠(yuǎn)小于玻璃纖維。采用兩種纖維作為原材料分別制備NOL環(huán)試樣，并對該試樣置于100℃的蒸餾水中處理24 h，兩種纖維復(fù)合材料的剪切性能隨時間變化結(jié)果如圖2。

圖2　水煮老化下兩種纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度變化

由圖2可以看出，初始干態(tài)玄武巖纖維復(fù)合材料(BFRP)的剪切性能高于玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)，隨著濕熱時間處理的延長，兩者的剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出下降的趨勢，玻璃纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度下降率更為明顯；濕熱處理后玄武巖纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度保留率為93%，玻璃纖維復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度保留率為83%，玄武巖纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出了更高的層間剪切強(qiáng)度保留率。這可能由于玄武巖纖維表面含有Si-O、Fe-O、Al-O鍵及羥基等基團(tuán)[6]，這些基團(tuán)與環(huán)氧樹脂的極性基團(tuán)結(jié)合形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用，因而玄武巖纖維與樹脂基體與玻璃纖維相比具有更優(yōu)的界面粘結(jié)特性?？紤]到復(fù)合材料的濕熱老化性能主要在于樹脂基體和纖維與樹脂粘結(jié)的界面特性，更優(yōu)的界面粘結(jié)保證了更高的剪切強(qiáng)度保留率，因此玄武巖纖維復(fù)合材料經(jīng)過濕熱處理后表現(xiàn)出了更高的強(qiáng)度保留率，具有更優(yōu)的耐濕熱老化特性。

3.2玄武巖纖維氣瓶復(fù)合層的強(qiáng)度設(shè)計

纖維全纏繞氣瓶的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：內(nèi)襯和纖維纏繞復(fù)合層，其中內(nèi)襯的作用主要在于提供氣密性，復(fù)合層的主要作用在于提供強(qiáng)度，因此復(fù)合層的設(shè)計[7-10]對于纖維纏繞壓力容器來說至關(guān)重要。本研究針對2.4 L呼吸氣瓶的復(fù)合層依據(jù)網(wǎng)格理論進(jìn)行了設(shè)計，對纏繞角度、復(fù)合層厚度的計算及纏繞線形等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了確定。

筒身纏繞角公式為：

(1)

式中，r0為極孔半徑；R為鋁合金內(nèi)襯半徑。

在以網(wǎng)格理論為基礎(chǔ)，氣瓶在內(nèi)壓作用下螺旋和環(huán)向纏繞壁厚由式(2)給出。

(2)

式中，Pb為最小爆破壓力，取值68 MPa；[σb]為玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂的許用應(yīng)力，取值3100 MPa；k為強(qiáng)度利用系數(shù)，取值0.7。根據(jù)內(nèi)襯的尺寸(包括外徑、封頭、極孔等)和最低爆破壓力等設(shè)計輸入的需求，將已知量帶入上述公式求解，所得玄武巖纖維纏繞壓力容器的復(fù)合層設(shè)計結(jié)果如表2所示。

表2　復(fù)合層設(shè)計結(jié)果

本研究采用濕法纏繞成型的方式完成氣瓶樣品的制備，纏繞過程中遵循以下兩個原則：采用極孔逐漸變大的變角度螺旋纏繞方式，避免纖維在封頭和底部出現(xiàn)堆積過度或架空；纏繞張力逐層遞減，以避免內(nèi)層纖維出現(xiàn)應(yīng)力松弛的情況。

3.3玄武巖纖維復(fù)合氣瓶的試驗驗證

氣瓶制造完成后對其性能進(jìn)行疲勞和爆破試驗。抽取一只氣瓶進(jìn)行10 000次0-21+0.2-0 MPa的壓力循環(huán)試驗，試驗完成后未發(fā)生泄漏，檢查外觀未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的損傷和變形等缺陷；另外抽取一只氣瓶直接進(jìn)行水壓爆破試驗，爆破結(jié)果為77.1 MPa，滿足設(shè)計要求；爆破形態(tài)如圖3所示。結(jié)果顯示氣瓶爆破位置位于直筒段，符合DOT-CFFC及國標(biāo)GB 28053—2011《呼吸器用復(fù)合氣瓶》等標(biāo)準(zhǔn)[11]對氣瓶爆破位置的要求，證明了本研究玄武巖纖維全纏繞壓力容器復(fù)合層設(shè)計的合理性。

圖3　爆破壓力—進(jìn)水量曲線及爆破形態(tài)

4結(jié)論

1. 本研究所選玄武巖纖維與玻璃纖維相比具有更高的拉伸強(qiáng)度和更低的吸濕率；玄武巖纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度高于玻璃纖維，濕熱處理后表現(xiàn)出了更優(yōu)的強(qiáng)度保留率，這與玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂形成的良好界面粘結(jié)相關(guān)；

2. 依據(jù)網(wǎng)格理論完成了玄武巖纖維纏繞壓力容器的設(shè)計，完成了樣品的制備，對其進(jìn)行了疲勞、爆破試驗驗證，結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)需求，驗證了本研究設(shè)計的合理性。

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齊磊(1984)，男，碩士研究生，工程師，主要從事復(fù)合材料設(shè)計與表征。

The Development and Validation of Basalt Fiber Fully Wrapped Aluminum Liner Cylinder

QI Lei1, LIU Yangtao2, WANG Dawei2, ZHANG Gangyi1, HUANG Xing1, OUYANG Xinfeng1

(1.China Composite Group Co., Ltd., Beijing 100037, China;2.Shenyang Zhongfukejin Pressure Vessels Co., Ltd., Shenyang 110141, China)

Abstract:In this paper, basalt fiber was used to produce the NOL rings and 2.4 L fiber fully wrapped cylinders. The shear strength of the NOL rings before and after hygrothermal treatment was studied. The composite layers of the cylinder were designed based on the gird theory, and the composite layer thickness and winding angle were determined. In order to validate the rationality of the design, the pressure cycle test and burst test were studied. The result shows that the basalt fiber reinforced composites has better interphase adhesive and hygrothermal properties than glass fiber reinforced composite. There is no leap on the cylinder after 10000 times 0-21+0.2-0 MPa pressure cycle test, and the burst pressure is 77.1 MPa. The results show the design is reasonable and accurate.

Key words:basalt fiber; hygrothermal property; pressure vessel; pressure cycle test; burst test

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.006

中圖分類號：TQ051.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)02-0021-04

基金項目：遼寧省沈陽市工業(yè)科技攻關(guān)專項(F14-032-2-00)

收稿日期：2016-01-19