海洋環(huán)境復(fù)合材料氣瓶技術(shù)研究

賀大鵬

摘 要：對使用環(huán)境為海洋條件下的復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行了試驗研究。復(fù)合材料氣瓶具有工作壓力高、儲氣量大、重量輕、安全性好等特點，根據(jù)現(xiàn)有航空氣瓶的成熟經(jīng)驗，通過對海洋環(huán)境下對復(fù)合材料氣瓶可能產(chǎn)生的不利影響，采用一系列針對性試驗驗證，結(jié)果表明：本研究的設(shè)計方法能夠有效保證復(fù)合材料氣瓶進(jìn)在海洋環(huán)境中的使用性能。

關(guān)鍵詞：氣瓶;海洋環(huán)境;高壓

1概述

針對氣瓶工作壓力高、安全性和可靠性要求高的特點，根據(jù)復(fù)合材料航空領(lǐng)域氣瓶的成熟經(jīng)驗，針對海洋環(huán)境下可能產(chǎn)生的不利影響，通過有針對性的驗證試驗，掌握主要影響因素及作用程度，制定防護(hù)措施，確定復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計方案。

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶設(shè)計首先保證氣瓶高壓工作的安全性。因為氣瓶的載荷主要是由復(fù)合材料承擔(dān)的，故可以采用網(wǎng)格分析方法確定結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的鋪層設(shè)計?！?】其壽命由內(nèi)膽的受力狀態(tài)決定，故金屬內(nèi)膽與復(fù)合材料的協(xié)同受力是關(guān)鍵。通過可獲得的金屬材料和復(fù)合材料的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)，利用有限元分析技術(shù)，結(jié)合適當(dāng)?shù)脑囼?，即可建立?fù)合材料氣瓶壽命與材料性能的相關(guān)性，從而保證氣瓶的可靠性。

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶能夠有效減輕重量、工作壓力高并具有較高的安全性，在配套裝備的使用和維護(hù)過程中具有重要意義。

2研究內(nèi)容

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計主要包括氣瓶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、防電化學(xué)腐蝕涂層設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣瓶防海水腐蝕設(shè)計。

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于圓柱型結(jié)構(gòu)最容易實現(xiàn)性能因子的最大化，而且其空間利用率好，故本研究采用圓柱型結(jié)構(gòu)，氣瓶內(nèi)膽采用航空氣瓶通用的金屬內(nèi)膽。海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶的特點決定了其不僅要達(dá)到航空成熟產(chǎn)品的技術(shù)要求，還要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮以下問題：

（1）復(fù)合材料氣瓶在使用過程中反復(fù)充壓、卸壓，會在復(fù)合材料纖維和樹脂的界面或樹脂基體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，長期浸入海水時，海水有可能會從這些潛在通道滲入到復(fù)合材料和內(nèi)膽的界面處。此時金屬內(nèi)膽材料在海水中會發(fā)生腐蝕，比如均勻腐蝕、晶間腐蝕等。

（2）海水有可能在外壓作用下，通過復(fù)合材料與內(nèi)膽瓶嘴的結(jié)合處滲入到金屬內(nèi)膽與復(fù)合材料之間，侵蝕接觸面發(fā)生分層。

（3）金屬材料與碳纖維在有海水作為介質(zhì)時還會發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。

針對第一個問題，采取在承載的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層外增加耐海水涂層的設(shè)計，防止海水對結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的滲入。為了便于耐海水涂層的施工，同時進(jìn)一步保護(hù)結(jié)構(gòu)層，在結(jié)構(gòu)層外設(shè)計了復(fù)合材料防護(hù)層。

針對第二個問題，采取在氣瓶接嘴端面增加防海水密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

針對第三個問題，采取在金屬內(nèi)膽和結(jié)構(gòu)層之間增加防電化學(xué)腐蝕涂層的設(shè)計。

海洋環(huán)境用高壓復(fù)合材料氣瓶最終的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2.2復(fù)合材料氣瓶防海水腐蝕技術(shù)

2.2.1金屬內(nèi)膽防海水腐蝕設(shè)計

本研究對6061鋁合金在海水中的腐蝕性能進(jìn)行了試驗研究。采用全浸試驗（GB10124-88）和電化學(xué)試驗方法，分別測量材料在試驗介質(zhì)中的腐蝕失重、腐蝕形態(tài)，開路電位（自然腐蝕電位）、開路電位值隨時間的變化關(guān)系，陰、陽極化曲線等，研究腐蝕特點及其腐蝕電化學(xué)行為，為研究不同組合電偶對的腐蝕提供依據(jù)。

表1列出了不同實驗條件下Al6061試樣在人工海水溶液中浸泡腐蝕實驗結(jié)果。

注：未打磨指試樣表面保持原始加工狀態(tài);打磨指將試樣表面用金相水砂紙打磨最終至800#砂紙;打磨且通氣指表面打磨試樣試驗過程中每隔30分鐘向試驗溶液中連續(xù)通入空氣5分鐘。

圖2為鋁合金開路電位-時間變化關(guān)系曲線。在所測試的時間內(nèi)，鋁合金的開路電位由-0.795v上升到-0.735v，4500秒后逐漸下降然后在-0.775v—0.785v之間10 mv范圍內(nèi)波動，形成一個較為穩(wěn)定的值。開路電位和時間關(guān)系曲線的變化，說明了鋁合金在腐蝕溶液中腐蝕—表面成膜—膜層破壞—又形成新膜而最終達(dá)到腐蝕穩(wěn)定的過程。

圖3為鋁合金極化曲線。下分支的陰極極化曲線和上分支的陽極極化曲線相交于一點，該點在Y軸上對應(yīng)的電位就是名義的自然腐蝕電位（即開路電位），該點在X上對應(yīng)的電流應(yīng)為最小電流，即名義下的自然腐蝕狀態(tài)下的電流?？梢钥吹剑牧显谌斯ずＫ?0.45v—-0.76v這一電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出弱極化行為。

綜上所述，根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，本研究內(nèi)膽的壁厚在傳統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上增加一定的腐蝕裕度。另外，內(nèi)膽外壁（含端面）進(jìn)行陽極氧化處理，以形成致密保護(hù)膜。

2.2.2防電化學(xué)腐蝕涂層設(shè)計

本研究測試了T700碳纖維增強復(fù)合材料/鋁合金6061所組成的電偶對在人工海水溶液中的電偶腐蝕情況。

為考察不同表面狀態(tài)對電偶腐蝕的影響，電偶腐蝕用復(fù)合材料分兩種，其中一種（A）試樣表面封涂層，另一種（B）試樣則打磨至碳纖維裸露。

不同表面狀態(tài)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料T700與鋁合金偶對的電偶電流隨時間變化關(guān)系如圖4、圖5所示。圖中各曲線的表示符號含義：

無——表示裸件;有——表示表面有涂層;

充氣——表示為裸件，并定時向溶液中充入空氣。

從圖4可以看出，向溶液中定時充入空氣，電偶電流大大增大，尤其是在實驗剛開始階段，電流密度達(dá)到52μA/cm2，是無涂層條件下的60多倍，經(jīng)過4000多分鐘以后，電偶電流大幅度降低到一個相對穩(wěn)定值，到7000分鐘后，由于表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋的影響，有效反應(yīng)面積減小，同無涂層條件下電偶電流大小基本接近。圖5顯示不充氣條件下鋁合金與復(fù)合材料表面有、無涂層兩種情況下電偶電流變化趨勢。相比而言，要比充氣條件下小很多，而且變化趨勢基本一致。

圖6顯示了不同條件下復(fù)合材料/鋁電偶對電偶電位隨時間的變化關(guān)系。

復(fù)合材料表面有涂層時，電偶電位隨時間延長下降幅度最大，經(jīng)過1500分鐘后電偶電位為-1.125V左右，而且趨勢很平坦，結(jié)合試樣表面看到形成了一層膜層，阻礙并減緩了鋁合金的進(jìn)一步腐蝕;充氣條件下，可以看到電偶電位維持在-0.725--0.825V之間一個對鋁合金來說較高的電位范圍內(nèi)，鋁合金表面較長時間保持活化而腐蝕的狀態(tài)，表現(xiàn)為電偶電流較大的緣故。

綜上所述，在鋁合金內(nèi)膽和碳纖維增強層之間設(shè)計防電化學(xué)腐蝕涂層可提高產(chǎn)品的可靠性。防電化學(xué)腐蝕涂層應(yīng)具備以下特點：與金屬內(nèi)膽和結(jié)構(gòu)層選用的樹脂基體相容性好、附著力強，適用于涂刷施工工藝;凝膠狀態(tài)具有足夠的抗壓強度，能夠承受后續(xù)纖維纏繞張力帶來的壓應(yīng)力;與結(jié)構(gòu)層樹脂共固化。

2.2.3密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣瓶采用的密封型式為靜密封。由于氣瓶工作壓力高，錐螺紋連接安全性得不到保證，故采用直螺紋連接，需要在端面設(shè)計密封結(jié)構(gòu)。本項目設(shè)計了兩道橡膠圈密封結(jié)構(gòu)。第一道內(nèi)側(cè)密封結(jié)構(gòu)在金屬內(nèi)膽與金屬堵頭之間，其作用是密封氣體，第二道外側(cè)密封結(jié)構(gòu)在金屬與復(fù)合材料之間，作用是隔絕海水。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖7。

密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是端面密封槽的設(shè)計，要保證第一道內(nèi)側(cè)密封圈首先受到壓縮，同時要保證上緊螺紋后，第二道外側(cè)密封結(jié)構(gòu)正常工作。

2.2.4復(fù)合材料防海水腐蝕設(shè)計

通過制作復(fù)合材料板形件，切割成多組彎曲試樣，進(jìn)行海水全浸試驗。然后測定力學(xué)性能來考核復(fù)合材料在海水腐蝕環(huán)境下的強度保留率。表2為試樣浸泡前后的彎曲性能對比。

試驗結(jié)果表明，碳纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料經(jīng)十個月的海水浸泡，其彎曲力學(xué)性能有小幅下降趨勢。因此，設(shè)計耐海水涂層對包括結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在內(nèi)的氣瓶整體進(jìn)行保護(hù)。

為驗證耐海水涂層對復(fù)合材料氣瓶防海水腐蝕的可靠性，進(jìn)行了氣瓶縮比件耐海水腐蝕試驗。在試驗過程中對試驗氣瓶間斷取出在日光下曝曬，然后放入水中升壓繼續(xù)浸泡。每隔一個月進(jìn)行200次海水中疲勞試驗，分階段完成1000次疲勞試驗，使試驗氣瓶因反復(fù)膨脹和收縮產(chǎn)生缺陷，最大限度模擬氣瓶實際使用的動態(tài)環(huán)境。對浸泡的氣瓶進(jìn)行的配合試驗有海水中疲勞試驗和水壓爆破試驗。試驗結(jié)果見表3。

從試驗結(jié)果來看，耐海水涂層可有效保護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

3 結(jié)論

通過以上分析，該設(shè)計方法合理可行，通過此種設(shè)計生產(chǎn)的復(fù)合材料氣瓶除滿足航空領(lǐng)域氣瓶的技術(shù)要求外，還具有較好的耐壓防腐性能，重量輕，安全性高，能夠適應(yīng)海水環(huán)境的工作需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐君臣，銀建中纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶研究進(jìn)展[J].應(yīng)用科技2012，39（4），64-69.