國產(chǎn)碳纖維纏繞氣瓶的研發(fā)

(石家莊安瑞科氣體機械有限公司，石家莊 051430)

0 引言

我國對碳纖維的研究始于20世紀(jì)60年代，但一直以來發(fā)展緩慢，主要原因是原絲量產(chǎn)技術(shù)不過關(guān)，碳化工序的穩(wěn)定性控制級別低，碳纖維上漿劑的研究滯后等。同時與碳纖維配合使用的高性能環(huán)氧樹脂一直依賴進口。樹脂與國產(chǎn)碳纖維復(fù)合后材料性能差也是制約國產(chǎn)碳纖維發(fā)展的一個重要因素。與日本某公司的碳纖維相比，同等級別的國產(chǎn)碳纖維，存在諸如強度低、毛絲多、離散值大、質(zhì)量不穩(wěn)定、與樹脂的浸潤性差等不足。但是，近兩年，國家在碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)上的扶持成效顯著，尤其是得益于“碳谷”原絲戰(zhàn)略的實施，碳纖維的性能穩(wěn)步提升。國內(nèi)多條1 000噸級、1 500噸級的工業(yè)碳纖維生產(chǎn)線上線開車，產(chǎn)品性能逐步穩(wěn)定，也越來越被市場認(rèn)可[1-2]。

由于壓力容器對碳纖維的性能穩(wěn)定性要求極高，目前市場上幾乎所有的復(fù)合材料纏繞壓力容器所采用的碳纖維均為進口碳纖維。而國產(chǎn)碳纖維企業(yè)要進入壓力容器市場相對困難，首先要向客戶證明：生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量是穩(wěn)定的[1-3]。而對于壓力容器制造企業(yè)來說，實現(xiàn)所有原材料具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)，不但能避免政治、國際貿(mào)易風(fēng)險，還能大幅度降低原材料的采購成本，縮短采購周期。因此探索使用國產(chǎn)碳纖維制造壓力容器具有重要意義。

1 主要原材料

1.1 碳纖維

作為一種干噴濕紡法制備的低成本碳纖維，日本某公司的T700S具有較好的強度，適中的模量和極佳的性價比。在國內(nèi)外現(xiàn)有的壓力容器設(shè)計中也得到廣泛應(yīng)用[1]。因此，筆者在選擇碳纖維時，同樣以T700S碳纖維為參照，對國內(nèi)多家生產(chǎn)的與T700S同等級別的碳纖維進行隨機在線取樣，然后通過線密度、體密度、復(fù)絲拉伸強度等性能測試，最終決定以一款強度較高、穩(wěn)定性較好的碳纖維作為首次開發(fā)對象，碳纖維的線密度800 g/km、體密度1.8 g/cm3、復(fù)絲拉伸強度≥4 900 MPa[1]。

1.2 環(huán)氧樹脂

由于國產(chǎn)碳纖維上漿劑的研究滯后，造成普通環(huán)氧樹脂與碳纖維的浸潤性差，制約了碳纖維性能的發(fā)揮。因此聯(lián)合碳纖維廠家與環(huán)氧樹脂廠家，開發(fā)一款與碳纖維浸透性良好的環(huán)氧樹脂體系，對碳纖維性能良好、穩(wěn)定地發(fā)揮也非常關(guān)鍵。經(jīng)多次試驗研究，筆者確定的環(huán)氧樹脂體系性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)氧樹脂體系性能測試結(jié)果

對于大容積纏繞氣瓶，在工藝性方面，為使碳纖維與環(huán)氧樹脂體系之間始終保持良好的浸潤，在瓶體的全部纏繞過程中，樹脂體系都必須保持一個較低的黏度狀態(tài)。經(jīng)試驗驗證，所選樹脂體系與碳纖維之間為保證良好浸潤性，樹脂體系的黏度要在150～800 mPa·s之間為宜。固化后，復(fù)合材料中樹脂基體質(zhì)量含量在28%～35%之間，能夠良好地發(fā)揮材料的力學(xué)性能。另外，環(huán)氧樹脂體系的黏度與溫度有極大的關(guān)系，且在一定溫度下，隨著時間的推移、黏度會逐漸攀升，直至凝膠、固化。黏度-溫度曲線見圖1，可以看出，該樹脂體系到達理想黏度的溫度為50 ℃左右，即在纏繞生產(chǎn)過程中樹脂膠液的預(yù)熱溫度可以設(shè)定為50 ℃。該樹脂體系在50 ℃條件下的黏度-時間曲線見圖2，可以看出，在一整膠槽樹脂消耗完的3 h內(nèi)，樹脂黏度維持在200±50 mPa·s區(qū)間內(nèi)，即在此溫度條件下隨著時間推移，樹脂體系的黏度攀升到緩慢。因此該樹脂體系能夠保證大容積纏繞氣瓶實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)地纏繞。

圖1 環(huán)氧樹脂體系黏度-溫度曲線

圖2 環(huán)氧樹脂體系黏度-時間曲線

1.3 復(fù)合材料的性能測試

通常對單向纖維纏繞成型復(fù)合材料性能的評價有兩種方式：一種是NOL環(huán)；另一種是單向板。筆者隨機抽取7個批次的國產(chǎn)碳纖維和T700S碳纖維，以所選樹脂體系為基體材料，依據(jù)GB/T 1458—2008《纖維增強塑料環(huán)形試樣力學(xué)性能試驗方法》，使用單軸試驗用纏繞機纏繞成NOL環(huán)試樣，固化成型，然后加工NOL環(huán)試樣的表面至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，剪切測試用NOL環(huán)試樣按標(biāo)準(zhǔn)裁切。按標(biāo)準(zhǔn)要求在電子萬能試驗機上進行性能測試。從圖3可以看出國產(chǎn)碳纖維7個批次NOL環(huán)的拉伸強度平均值與T700S碳纖維接近且略高，國產(chǎn)碳纖維的測試離散性也比T700S碳纖維略大。

圖3 7個批次NOL環(huán)的拉伸強度

從圖4可看出，國產(chǎn)碳纖維7個批次NOL環(huán)的剪切強度與T700S碳纖維NOL環(huán)的剪切強均值略低但相差不大，離散狀況也大致相同。總體上滿足纏繞氣瓶設(shè)計的基本要求和原則。

單向板是對單向纖維纏繞成型復(fù)合材料性能的另一種標(biāo)準(zhǔn)評價方式，其測試結(jié)果可以直接用于指導(dǎo)有限元分析模型的建立。依據(jù)GB/T 4550—2005《試驗用單向纖維增強塑料平板的制備》，以所選定的國產(chǎn)碳纖維為增強材料，以所選樹脂體系為基體材料，纏繞成型制作0°，90°和±45°的單向板測試試樣。0°方向，即試板的拉伸方向與單向纖維的鋪放方向一致，在纖維增強樹脂復(fù)合材料中主要體現(xiàn)纖維性能的發(fā)揮；90°方向，即試板的拉伸方向與單向纖維的鋪放方向垂直，在纖維增強樹脂復(fù)合材料中主要體現(xiàn)樹脂性能的發(fā)揮；±45°方向，即單向纖維垂直交替鋪放，試板的拉伸方向與單向纖維的鋪放方向呈±45°，在纖維增強樹脂復(fù)合材料中用于面內(nèi)縱橫剪切模量的測試。依據(jù)GB/T3354—2014《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

圖4 7個批次NOL環(huán)的剪切強度

表2 碳纖維/環(huán)氧樹脂單向板測試結(jié)果

測試結(jié)果顯示所選國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)和T700S碳纖維復(fù)合材料的性能基本保持一致，滿足設(shè)計要求。使用國產(chǎn)碳纖維設(shè)計纏繞氣瓶是可行的。

2 纏繞氣瓶的設(shè)計

本文以公稱直徑?559 mm，公稱工作壓力P=20 MPa的纏繞瓶為例進行設(shè)計。該氣瓶的具體規(guī)格如下：公稱容積V=895 L，內(nèi)膽外徑D=559 mm，氣瓶總長L=4 050 mm，工作環(huán)境溫度 ：-40～+65 ℃。依據(jù)ISO 11515標(biāo)準(zhǔn)，碳纖維纏繞氣瓶的最小爆破壓力為2.5倍的公稱工作壓力(Pb=50 MPa)。金屬內(nèi)膽纏繞復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計，一般都以網(wǎng)格理論為基礎(chǔ)，本文亦采用網(wǎng)格理論進行設(shè)計。

內(nèi)膽選4130X無縫鋼管，采用自動控制加熱方式旋壓收口。4130X無縫鋼管的化學(xué)成分、彈性模量、屈服強度依ASTM A519/A519—17《機械用無縫碳鋼管、合金鋼管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求。內(nèi)膽材料承擔(dān)的壓力略大于整體分壓的50%。依據(jù)ISO 11515計算，內(nèi)膽的平均厚度t=9 mm[4]。

碳纖維的線密度為800 g/km、體密度為1.8 g/cm3、復(fù)絲拉伸強度≥4900 MPa?？紤]到本次所設(shè)計壓力容器的尺寸和纏繞效率，結(jié)合筆者所使用的四維三軸纏繞機的實際情況，以及工藝可行性等問題，最終采用多股紗合股纏繞，控制紗帶寬度，保證纏繞質(zhì)量與生產(chǎn)效率[5]。氣瓶設(shè)計纏繞總層數(shù)18層，鋪層方式為[90°/90°/±60°/90°/90°/±60°/90°/90°/±60°/90°/90°/±60°/90°/90°]。纖維張力控制在纖維斷裂強度的5%～15%。在實際的操作過程中，依據(jù)逐層張力遞減的原則完成纏繞瓶的制備[6-7]。碳纖維纏繞復(fù)合材料層厚度約為6 mm。

3 有限元校核

本文采用金屬內(nèi)膽，碳纖維纏繞高壓氣瓶建立有限元模型(各向異性)，根據(jù)確定的氣瓶內(nèi)膽和復(fù)合材料層設(shè)計結(jié)構(gòu)方案，利用計算得到的纖維纏繞層數(shù)、厚度和角度數(shù)據(jù)，以復(fù)合材料層合板理論為基礎(chǔ)，采用ANSYS有限元軟件，根據(jù)容器結(jié)構(gòu)、載荷和約束的對稱性，建立1/8模型，對稱面加對稱約束。其中，內(nèi)膽采用二階實體單元Solid 186，復(fù)合層使用二階多層殼單元Shell 281，最終建立的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。網(wǎng)格劃分后層單元的層數(shù)及鋪層形式見圖6。氣瓶內(nèi)膽材料采用多線性彈塑性材料模型模擬材料的非線性行為，該模型考慮了材料進入塑性后的加載路徑相關(guān)性，采用各向異性材料模型模擬外層復(fù)合材料。復(fù)合材料的參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖5 容器的1/8有限元模型

圖6 層單元排列圖

力邊界條件：氣瓶內(nèi)膽與介質(zhì)接觸部分施加壓力，瓶口端面施加等效壓力；位移邊界條件：對稱面施加對稱邊界條件。給氣瓶施加內(nèi)壓70 MPa的內(nèi)壓，氣瓶內(nèi)膽的加載和邊界條件見圖7。表3列出計算載荷步和收斂情況。由計算收斂情況可得氣瓶極限載荷為： 70 MPa×0.779 32=54.552 4 MPa。

圖7 氣瓶內(nèi)膽加載和邊界條件

表3 計算載荷步和收斂情況

圖8,9分別示出在最后收斂步時氣瓶內(nèi)膽和纖維層應(yīng)力分布云圖，圖10示出氣瓶位移云圖。

圖8 氣瓶內(nèi)膽應(yīng)力云圖

圖9 氣瓶纖維層應(yīng)力云圖

分析收斂情況的結(jié)果后，可以得出結(jié)論：爆破壓力滿足設(shè)計的要求[8-10]。

圖10 氣瓶位移云圖

4 結(jié)果分析

按照上述設(shè)計方案完成了3個?559 mmⅡ 型氣瓶的制作。其中2個按照GB 15385—2011《氣瓶水壓爆破試驗方法》，用CB 100-5.5型超高壓爆破試驗機進行爆破試驗，爆破壓力分別為56.7,58 MPa，典型的爆破形態(tài)見圖11；另一個按照GB/T 9252—2001《氣瓶疲勞試驗方法》進行了常溫壓力循環(huán)試驗，循環(huán)壓力上限不低于公稱工作壓力的1.3倍，循環(huán)壓力下限不高于上限壓力的10%，循環(huán)速率不超過15次/min，最終試驗結(jié)果為循環(huán)次數(shù)達45 000次，氣瓶未發(fā)生泄漏。

圖11 氣瓶典型的爆破形態(tài)

經(jīng)爆破壓力試驗和常溫壓力循環(huán)試驗證明本次?559 mm Ⅱ型氣瓶研發(fā)是成功的，設(shè)計方案可行[11]，為國產(chǎn)碳纖維纏繞氣瓶的設(shè)計提供了參考。