淺談碳纖維復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展

遲曉斌 張達(dá)

摘要：近些年來隨著工業(yè)生產(chǎn)流程的復(fù)雜化，使得其對機(jī)械設(shè)備的要求越來越高，而作為廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的壓力容器，也在這種趨勢下得到了發(fā)展，在此背景下碳纖維復(fù)合材料壓力容器被開發(fā)出來。本文主要對碳纖維復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展進(jìn)行了闡述，首先對碳纖維復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行了簡要的介紹，然后分別對三個主要發(fā)展方向進(jìn)行了闡述，最后展望了碳纖維復(fù)合材料壓力容器的未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;壓力容器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;性能優(yōu)化

隨著生產(chǎn)工藝要求的不斷提高，傳統(tǒng)壓力容器已經(jīng)逐漸無法滿足生產(chǎn)所需。在這種背景下碳纖維復(fù)合材料壓力容器被開發(fā)出來，并且逐漸得到了越來越多的關(guān)注，為此本文對碳纖維復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展進(jìn)行了闡述。

一、碳纖維及其復(fù)合材料概述

所謂的復(fù)合材料是由兩種或者是若干種不同性質(zhì)材料復(fù)合而成的一種材料，同時在復(fù)合材料當(dāng)中，每一個組分的材料都是單獨存在的，并沒有進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，可是復(fù)合材料的性質(zhì)卻和各個組分的性質(zhì)不同。對于碳纖維復(fù)合材料而言，其是一種增強(qiáng)相和基體材料制造而成的復(fù)合材料，比較有代表性的就是碳纖維/環(huán)氧樹脂，這種材料的主要特點就是強(qiáng)度高、密度低，并且耐腐蝕性強(qiáng)，因此目前在復(fù)合材料壓力容器的制造流程中得到了廣泛的運用。

二、碳纖維復(fù)合材料壓力容器概述

對于碳纖維復(fù)合材料壓力容器而言，其結(jié)構(gòu)包括碳纖維復(fù)合材料層以及內(nèi)襯層。對于內(nèi)襯層而言，作用就是防漏、防腐蝕，對于碳纖維復(fù)合材料層而言，作用就是承載外界壓力，復(fù)合材料層是通過基地和碳纖維構(gòu)成的，基體能夠進(jìn)行載荷的傳遞，并且對碳纖維材料進(jìn)行保護(hù)，而對于碳纖維而言，屬于增強(qiáng)相。把碳纖維浸在樹脂膠液中再拿出，然后再根據(jù)特定規(guī)律將其在內(nèi)襯上進(jìn)行纏繞，再進(jìn)行固化和自緊，這樣就能夠制造出碳纖維復(fù)合材料壓力容器。在上個世紀(jì)八十年代，碳纖維復(fù)合材料壓力容器得到了快速的發(fā)展，逐漸還是得到運用，目前主要在航空航天、醫(yī)療器械以及新能源汽車等領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。

三、近幾年碳纖維復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展

近些年來隨著復(fù)合材料壓力容器的逐步應(yīng)用，相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定對復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展起到了推動作用，現(xiàn)階段復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展主要體現(xiàn)在下面這三個方向上。

（一）容器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的發(fā)展

當(dāng)前復(fù)合材料壓力容器在制造過程中成本較高、制造周期較，并且產(chǎn)品力學(xué)性能較差，想要克服這些問題，那么一定要針對容器實施相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國學(xué)者陳小平研究了目前市場占有率較低的高強(qiáng)中模T800，并且使用了一種干法纏繞成型工藝，通過這種工藝得到了直徑大小不同的T800碳纖維全纏繞復(fù)合材料壓力容器，有效的推動了這種復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展。

對于碳纖維纏繞層而言，在壓力容器當(dāng)中，是對外界壓力進(jìn)行承載的主要結(jié)構(gòu)，因此對壓力容器的可靠性和安全性有著直接影響，所以碳纖維纏繞層的設(shè)計非常的重要，主要包括纏繞張力的設(shè)計、纏繞角度的設(shè)計以及纖維層厚度的設(shè)計。國外的一名學(xué)者Arhant對纏繞角度進(jìn)行了研究，分析了其如何影響壓力容器的受力，最終得到最佳的纖維纏繞角度在51度左右，這些數(shù)據(jù)的獲得有效推動了復(fù)合材料壓力容器制造工藝的發(fā)展。

（二）性能優(yōu)化方面的發(fā)展

隨著工業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜度的不斷提升，對壓力容器的要求也越來越高，這大大推動了復(fù)合材料壓力容器性能方面的發(fā)展，因此性能優(yōu)化方面的研究也是越來越多，性能優(yōu)化就是基于當(dāng)前的國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行優(yōu)化模型的構(gòu)建，通過科學(xué)方法優(yōu)化模型函數(shù)，這樣就能夠使得材料的性能發(fā)揮出來，從而使得壓力容器的性能得到提升，同時壓力容器的質(zhì)量也會得到減輕。

阻礙復(fù)合材料壓力容器經(jīng)濟(jì)性發(fā)展的主要原因就是復(fù)合材料壓力容器質(zhì)量重、復(fù)合層厚，為了解決這一問題，使得復(fù)合材料壓力容器經(jīng)濟(jì)性得到提升。我國學(xué)者陳瀟灑針對碳纖維復(fù)合材料氣瓶設(shè)備進(jìn)行了研究，所使用的是一種兩步成型工藝，并且在實驗階段使用有限元分析法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，最終研發(fā)出來的復(fù)合材料氣瓶，相比于傳統(tǒng)氣瓶而言，具有更小的纏繞層應(yīng)力以及自緊壓力，使得氣瓶的使用年限得到了延長，同時還有效的降低了鋁合金內(nèi)襯的材料使用量，使得設(shè)備經(jīng)濟(jì)性得到大幅度提升。

（三）設(shè)備損傷檢測方面的發(fā)展

對于復(fù)合材料壓力容器而言，其和傳統(tǒng)壓力容器一樣在長周期運行過程中都會出現(xiàn)損傷，主要包括基體的變形、內(nèi)襯的失效以及纖維斷裂等情況。一旦壓力容器出現(xiàn)了內(nèi)部損傷，那么就會存在著不安全問題，對生產(chǎn)會造成很大威脅，所以近些年來復(fù)合材料壓力容器的損傷檢測技術(shù)得到了發(fā)展。

國外學(xué)者Gasior研究了復(fù)合材料氣瓶的損傷檢測，其通過布拉格光纖光柵并利用一定的圖像處理技術(shù)對層離以及缺口等設(shè)備結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行了檢測，通過圖像處理技術(shù)能夠有助于檢測器進(jìn)行位置確定，通過布拉格光纖能夠?qū)?yīng)力分析進(jìn)行檢測，兩者結(jié)合就能夠有效的將設(shè)備損傷檢測出來，目前這種技術(shù)已經(jīng)在復(fù)合材料壓力容器損傷檢測中進(jìn)行使用。

四、碳纖維復(fù)合材料壓力容器的未來發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料壓力容器的使用會越來越廣泛，相關(guān)的技術(shù)也會越來越成熟。但是就目前形勢而言，還是存在著很多的缺陷，根據(jù)當(dāng)前的現(xiàn)狀能夠看得出來，未來碳纖維復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下這幾個方面：

（1）對于碳纖維復(fù)合材料而言，其具有較為復(fù)雜的物理特性和化學(xué)特性，不論是使用年限還是內(nèi)部損傷都難以進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，因此為了提升材料的性能，未來碳纖維復(fù)合材料使用年限評估以及損傷檢測等技術(shù)會繼續(xù)發(fā)展。

（2）現(xiàn)階段復(fù)合材料壓力容器出現(xiàn)失效的核心原因就是纏繞層和內(nèi)襯層之間出現(xiàn)了分離，所以復(fù)合材料壓力容器的一個發(fā)展方向就是提高纏繞層和內(nèi)襯層之間的接觸技術(shù)，從而提高復(fù)合材料的安全性能。

（3）雖然復(fù)合材料壓力容器的質(zhì)量已經(jīng)很輕，使用年限已經(jīng)很長，但是隨著工業(yè)流程的復(fù)雜化發(fā)展，復(fù)合材料壓力容器的這兩個優(yōu)勢還要繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳小平，王喜占.T800碳纖維在復(fù)合材料壓力容器上的應(yīng)用研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2017，42（03）：45-49.

[2]陳瀟灑.鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓氣瓶的輕量化與長壽命技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2017.