壓力容器用復(fù)合材料的性能與應(yīng)用分析

徐麗

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，壓力容器在在我們的工業(yè)活動(dòng)中運(yùn)用上非常廣泛，涉及了冶金、機(jī)械加工、安全防護(hù)、化工、石油、核能、航空等等各行各業(yè)中，甚至檢驗(yàn)檢測(cè)上也有用到壓力容器。他是工業(yè)上必不可少的一項(xiàng)重要儀器，是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。壓力容器的種類也非常多。針對(duì)不同的壓力等級(jí)，壓力容器的作用，可以細(xì)分不同的壓力容器裝備。由于壓力容器具有體積大，危險(xiǎn)性高等特殊的特點(diǎn)，從壓力容器的制造材質(zhì)上也是重要的部分，復(fù)合材料作為一種新型材料越來(lái)越多的被使用在壓力容器上，本文從復(fù)合材料壓力容器的性能和應(yīng)用上進(jìn)行剖析，為后續(xù)研究此類型材料壓力容器提供參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器；制造材質(zhì)；復(fù)合材料

引言：隨著壓力容器在生產(chǎn)制造中的廣泛使用，轉(zhuǎn)變了許多傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展模式，使得冶金、機(jī)械加工、焊接和無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)有了質(zhì)的突破，特別是在一些高新科學(xué)智能技術(shù)的飛速發(fā)展，也帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，對(duì)壓力容器也提出越來(lái)越高的要求，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。在相同的環(huán)境作用力下，壓力容器與其他機(jī)械比，所具有的危險(xiǎn)性更大，壓力容器的危險(xiǎn)性主要是在技術(shù)層面和使用管理維護(hù)以及選材上。材料選取是衡量壓力容器質(zhì)量和性能的關(guān)鍵部分，材料的所具有的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性等性能等對(duì)與壓力容器的使用上也有重要作用。本文主要從選材的角度來(lái)進(jìn)行分析，以復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合壓力容器的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

1復(fù)合材料概念

復(fù)合材料是指把兩種或兩種以上的不同性質(zhì)的材料進(jìn)行優(yōu)化再結(jié)合在一起，形成一種新的材料。通過多種材料的結(jié)合，使得性能在原有的基礎(chǔ)上再增強(qiáng)。復(fù)合材料主要是金屬、聚合物、無(wú)極膠囊等。根據(jù)復(fù)合材料所結(jié)合的不同的材料性能又可以分為，金屬?gòu)?fù)合材料和非金屬?gòu)?fù)合材料以及增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料結(jié)合多種材料的優(yōu)點(diǎn)，在物理和化學(xué)性能上都更比單一材料更優(yōu)越，綜合了多種材料結(jié)合成一種材料，化學(xué)性能更穩(wěn)定。物理性能也在一定程度上加強(qiáng)，經(jīng)過復(fù)合材料所制造的壓力容器更加輕便，韌度強(qiáng)，剛性復(fù)合材料內(nèi)結(jié)合了纖維材料，在結(jié)構(gòu)上更加豐富，以往單一的材料缺少纖維更容易斷裂，復(fù)合材料綜合多種材料物質(zhì)，其中一個(gè)材質(zhì)纖維斷裂后再補(bǔ)上另一材料，使得壓力容器能更持久的使用。復(fù)合材料是以金屬材料作為基體再結(jié)合其他材料，既保證了物體所需要的剛性，又具備了一定的承載力。

2 復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)力分析

復(fù)合材料壓力容器主要是指金屬與金屬?gòu)?fù)合材料，非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料，金屬和非金屬?gòu)?fù)合材料在壓力容器的特殊受力特點(diǎn)上的不同進(jìn)行比較。在復(fù)合材料的物理性能方面，他是層次多面的沿著物體的厚度，每層產(chǎn)生不同性能轉(zhuǎn)化的的非均勻材料。由于他的變數(shù)較大，對(duì)研究工作來(lái)說(shuō)較為困難，難于做出準(zhǔn)確的判斷分析。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，所涉及的因素很多，變量也多，難以把控，除了一些特殊的和簡(jiǎn)單的問題可以采用解析法求解外，其它的問題，需要采用數(shù)值方法。目前所采用的數(shù)值法有：

（1）有限元位移法，這是目前較為準(zhǔn)確，有效的數(shù)值法，主要是把復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行剝離，把每個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分開，采用細(xì)觀察有元法，和每個(gè)材料的基體，增強(qiáng)材質(zhì)分成不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域再分別進(jìn)行分析觀察技術(shù)處理等，在每個(gè)區(qū)域再劃分單元，相同的常數(shù)劃分在一起分析，不同的再進(jìn)行離散分析。從而得到該復(fù)合材料壓力容器的力學(xué)分析。

（2）應(yīng)力雜交元法。這種方法是在原來(lái)的材質(zhì)上假定一個(gè)單元應(yīng)力場(chǎng)，再在其的周圍建立另一個(gè)單元應(yīng)力場(chǎng)，通過兩個(gè)單元應(yīng)力場(chǎng)之間所產(chǎn)生的最小余能原理，求的其中的單元?jiǎng)偠染匦巍＿@種方法簡(jiǎn)單易操作，在實(shí)際運(yùn)用中也較多使用。

（3）有限元混元法這是通過部分的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行物理作用，產(chǎn)生位移反應(yīng)，利用位移反應(yīng)和節(jié)點(diǎn)力之間的作用，進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便，誤差小，但是所形成的方程解法困難，不利于廣泛的運(yùn)用。

3 復(fù)合材料壓力容器的失效分析

復(fù)合材料壓力容器再使用的過程中，容易由于放置過久或者其他因素，而導(dǎo)致復(fù)合材料壓力容器失效。目前失效形式有內(nèi)襯泄漏和復(fù)合層爆破兩種類型，復(fù)合層爆破會(huì)形成災(zāi)難性事故，釋放內(nèi)部的氣體，吸入將對(duì)人體產(chǎn)生危害，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致死亡，一些復(fù)合材料壓力容器內(nèi)部甚至有易燃易爆氣體，若爆破則會(huì)導(dǎo)致附近也產(chǎn)生一定規(guī)模的爆破，后果不堪設(shè)想。而內(nèi)襯層泄漏主要是由于腐蝕影響，外層復(fù)合材料斷裂則是由于存在缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度不足引起的。由于材料本身的承載力有限，隨著時(shí)間過長(zhǎng)，多次使用磨損，容易讓容器承載力遭到破壞。或者由于在使用的過程中，產(chǎn)生擠壓碰撞，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能錯(cuò)亂，纖維斷裂，性能造成破壞。或者由于內(nèi)部受到腐蝕作用，造成內(nèi)襯泄露，長(zhǎng)期腐蝕導(dǎo)致內(nèi)襯出現(xiàn)缺陷而泄露，這些因素都是復(fù)合材料壓力容器失效的原因之一。

4 復(fù)合材料在壓力容器中的應(yīng)用

4.1 內(nèi)壓容器各種航天器和導(dǎo)彈系統(tǒng)需要輕質(zhì)高性能壓力容器，一般是在內(nèi)襯材料，如 Al、Ti、不銹鋼外纏繞復(fù)合材料，目前這種金屬內(nèi)襯復(fù)合材料廣泛用于航天器、汽車、軍用飛機(jī)等方面。

4.2 外壓容器

海洋的勘測(cè)開發(fā)、科學(xué)研究及水下武器裝備都離不開潛水外壓容器，尤其是大深度的潛水裝備，對(duì)外壓容器材料提出了更高的要求。碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、模量大、密度小、尺寸穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)低，另外，還具有優(yōu)異的耐海水、耐酸、耐堿、耐溶劑腐蝕特性，適用于做大深度的潛水外壓容器，如法國(guó)的海鱔魚雷殼體采用碳纖維復(fù)合材料，該魚雷的最大潛水深度超過 100m。目前最常用的潛水外壓容器殼體材料是鋁合金。據(jù)報(bào)道，采用碳纖維復(fù)合鋁合金后殼體耐壓強(qiáng)度提高 9%～29%，這對(duì)于提高殼體的耐靜水外壓能力，增加潛水深度有明顯效果。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料近年都得到很多突破，在機(jī)械制造上的強(qiáng)度、耐腐蝕性和復(fù)合材料的質(zhì)量輕便上，都有很大的進(jìn)步，且復(fù)合材料是人體設(shè)計(jì)加工制造而成，能夠有效的滿足當(dāng)前的生產(chǎn)生活需求，給制造和生產(chǎn)都帶來(lái)的極大方便。但是由于目前復(fù)合材料壓力容器是新型科技發(fā)展的新成果，仍處于剛剛起步的階段，還沒有成套的理論分析，對(duì)復(fù)合材料壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化尚不能做明確分析，在技術(shù)層面上也不能和科技發(fā)達(dá)的國(guó)際相提并論，在設(shè)備和經(jīng)濟(jì)成本上還有很大不足點(diǎn)，在以后的拓展復(fù)合材料壓力容器應(yīng)用范圍的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器的基礎(chǔ) 研究，在設(shè)計(jì)和技術(shù)上不斷的完善整改，取得更大的進(jìn)步。

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（作者單位：江蘇永盛傳熱科技有限公司）