復(fù)合材料壓力容器及其相關(guān)問題研究

馮永輝

摘要：纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（FRP），包括 FWRP 壓力容器獨(dú)具下列特點(diǎn)：FRP 由纖維（增強(qiáng)相）和聚合物（基體相）組成，復(fù)合材料性能離散性大;各向異性;FRP 與制品同時(shí)生成（FWRP 壓力容器纏繞成型簽的纖維與樹脂都是單相材料，只有經(jīng)過纏繞工藝成型為 FWRP 壓力容器時(shí)，復(fù)合材料亦形成了）;成型工藝過程控制對制品性能影響極大;環(huán)境（溫度、濕度、介質(zhì)等）對 FRP 性能有影響。

關(guān)鍵詞：壓力容器;復(fù)合材料;設(shè)計(jì)理論;強(qiáng)度;剛度;耐久性;保護(hù)層;安全性;氣密性

中圖分類號(hào)：TH49?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 壓力容器簡介

壓力容器（Pressure Vessel）是一種在工業(yè)生產(chǎn)過程中能夠承受較大壓力的密閉容器，主要的用于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)、分離、傳質(zhì)傳熱、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工藝過程[1]。壓力容器已經(jīng)被石油化工、冶金、機(jī)械、建筑、食品、服裝紡織和醫(yī)藥等工業(yè)技術(shù)生產(chǎn)行業(yè)所廣泛地使用，例如核反應(yīng)堆壓力設(shè)備、液體噴射壓力設(shè)備、石油分離反應(yīng)器、合成尿素壓力設(shè)備和臨界萃取釜都是常見的壓力容器。由于壓力容器要承受內(nèi)部物質(zhì)帶來的各種載荷和外部支撐力的作用，基于其特殊的使用工況，在實(shí)際應(yīng)用過程中對壓力容器的要求越來越苛刻，例如對承壓要求從原來的 10 MPa 增加到 100 MPa，循環(huán)疲勞壽命要求在 105～108之間，對高溫和有害物質(zhì)也有著一些十分嚴(yán)格的要求[2]。由于特殊工況的作用，壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中比較容易出現(xiàn)破壞的設(shè)備，在壓力容器的破壞形式當(dāng)中，塑形破壞、脆性破壞和疲勞破壞這三種破壞形式最為常見。傳統(tǒng)壓力容器大多是以金屬或合金作為容器壁而制造出的容器，結(jié)構(gòu)相對簡單，承載壓力可以簡化為均勻受力，從而轉(zhuǎn)換為薄膜應(yīng)力近似計(jì)算。而越來越多的復(fù)雜工況導(dǎo)致了傳統(tǒng)壓力容器不能滿足某些特殊的工藝過程的需要，例如石油化工中需要耐 1000℃的壓力容器，核反應(yīng)堆中大多數(shù)壓力容器對耐液態(tài)鈉腐蝕的要求苛刻。這些極限的工況對壓力容器提出了巨大的挑戰(zhàn)，因此，以復(fù)合材料壓力容器為代表的新型壓力容器被廣泛地關(guān)注[3]。這些復(fù)合材料的使用，可以有效地滿足壓力容器在使用過程中對壓力載荷大、耐高溫、耐腐蝕的要求，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，復(fù)合材料壓力容器的研究得到了廣泛重視，其在市場中占據(jù)的份額也在不斷上升。

2 復(fù)合壓力容器的結(jié)構(gòu)及分類

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11119，壓力容器從結(jié)構(gòu)形式上可分為四類，第一類是全金屬型壓力容器;第二類是金屬內(nèi)襯環(huán)向纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)型復(fù)合壓力容器;第三類是金屬內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)型復(fù)合壓力容器，第四類是塑料內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)型復(fù)合壓力容器。由于復(fù)合壓力容器不僅兼顧了金屬內(nèi)襯的良好加工性、氣密性、耐蝕性和高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，又綜合了復(fù)合材料重量輕、安全性好以及良好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使其具有高承壓能力、高疲勞壽命、質(zhì)輕、耐腐等優(yōu)良性能，在相同容積和壓力條件下，復(fù)合壓力容器比鋼質(zhì)壓力容器的重量可減輕 1/3～2/3;同時(shí)復(fù)合材料在受到撞擊或高速?zèng)_擊發(fā)生破壞時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生具有危險(xiǎn)性的碎片，從而降低或避免了對人員的傷害，復(fù)合壓力容器比金屬壓力容器具有更好的使用安全性。纖維纏繞復(fù)合壓力容器實(shí)體結(jié)構(gòu)是由內(nèi)襯層、纖維纏繞增強(qiáng)層和外保護(hù)層組成。

2.1內(nèi)襯層復(fù)合壓力容器

內(nèi)襯層內(nèi)壁直接與介質(zhì)接觸，它的主要作用是氣密、防腐、耐溫和耐壓。因此要求內(nèi)襯材料具有優(yōu)良的氣密性、耐腐蝕性、耐溫和高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)。

2.2 纖維纏繞

增強(qiáng)復(fù)合材料層纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合材料層的主要作用是保證壓力容器在受力的情況下，具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。其中纖維是主要的承載體，樹脂對纖維起粘結(jié)作用，并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用。因此選擇高強(qiáng)度、高彈性的增強(qiáng)纖維和性能良好的樹脂是提高結(jié)構(gòu)承載能力的重要措施，通常采用高強(qiáng)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂或碳纖維/環(huán)氧樹脂高性能復(fù)合材料。

2.3外保護(hù)層

為了提高復(fù)合壓力容器抗外載荷沖擊特性，通常在外表面纏繞數(shù)層抗沖擊性能較好的高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料，同時(shí)進(jìn)行外涂層表面處理。

3復(fù)合壓力容器的材料

復(fù)合壓力容器主要由內(nèi)襯和纖維纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)層組成。內(nèi)襯材料的選取與復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)直接影響了壓力容器的性能，所以在設(shè)計(jì)復(fù)合壓力容器前，應(yīng)根據(jù)需要謹(jǐn)慎選擇復(fù)合壓力容器的材料。

3.1內(nèi)襯材料復(fù)合壓力容器

在高壓作用下除了有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)有良好的氣密性。但纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料氣密性較差，壓力容器必須擁有能夠密封的內(nèi)襯。復(fù)合壓力容器的內(nèi)襯材料可以分為兩類：金屬材料和塑料材料。

3.2 纖維纏繞復(fù)合材料

3.2.1 纖維材料

復(fù)合壓力容器中復(fù)合材料纏繞層承擔(dān)絕大部分的壓力載荷，纖維是復(fù)合材料的主要承載部分。目前常用的纖維增強(qiáng)材料有玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉（Kevlar）纖維等，主要產(chǎn)品形式為無捻粗紗。

3.2.2 樹脂粘結(jié)劑

樹脂粘結(jié)劑起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護(hù)纖維免受外界環(huán)境的損傷。主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酸亞胺樹脂等，目前常用的是環(huán)氧樹脂，它具有粘結(jié)力大，制造工藝簡單，固化后收縮率小，硬度高，韌性好的特點(diǎn)。

4 復(fù)合壓力容器的成型

4.1 環(huán)向纏繞

環(huán)向纏繞是沿內(nèi)襯圓周方向進(jìn)行的纏繞。其特點(diǎn)為：纏繞只能在筒身段進(jìn)行，不能纏到封頭上去，纖維纏繞的角度通常接近 90°。

4.2縱向纏繞

縱向纏繞又稱平面纏繞，纖維纏繞軌跡是一條單圓平面封閉曲線。在縱向纏繞中，導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，芯模繞自軸慢速旋轉(zhuǎn)。

4.3螺旋纏繞

螺旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時(shí)芯模繞自軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這樣就在芯模的筒身和封頭上實(shí)現(xiàn)了螺旋纏繞，其纏繞角度約為 12°～70°。在實(shí)際的纏繞成型中，一般采用多種線型進(jìn)行纏繞，這樣可以充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，如螺旋加環(huán)向纏繞、螺旋加縱向纏繞等。

5復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)理論

（1）將設(shè)計(jì)參量：材料性能、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸、制造工藝與環(huán)境影響全認(rèn)定為確定單值量。這對結(jié)構(gòu)可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重后果。FRP 與金屬材料即使兩種材料強(qiáng)度數(shù)學(xué)期望值相同，但由于 FPR 具有離散型大的特點(diǎn)，它們的可靠性可能相差極大。

（2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是用一個(gè)安全系數(shù)來代替未知量的保守方法。把諸多不確定量用一個(gè)安全系數(shù)掩蓋起來是不科學(xué)的：安全系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略確定的。人為選定與精確計(jì)算不相配。安全系數(shù)不能作為度量結(jié)構(gòu)可靠度的統(tǒng)一尺度，即對不同類型結(jié)構(gòu)或不同受力狀態(tài)的同一結(jié)構(gòu)，采用相同安全系數(shù)，并不具有相同安全度。加大結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，未必能按比例增大結(jié)構(gòu)安全度，對于存在不同符號(hào)應(yīng)力疊加情況的結(jié)構(gòu)，問題更突顯。

（3）基于前述 FRP 與制品同時(shí)生成之特點(diǎn)，制造工藝過程控制（如固化制度、纖維纏繞張力控制等）不單影響 FWRP 壓力容器的結(jié)構(gòu)抗力，而且同時(shí)還影響結(jié)構(gòu)載荷反應(yīng)（各纏繞層纖維應(yīng)力狀態(tài)）。這種影響有時(shí)甚至成為失效的關(guān)鍵。工藝過程的隨機(jī)性必然使 FWRP 壓力容器承載能力發(fā)生隨機(jī)性。這一有別金屬材料的特性，安全系數(shù)是根本不能科學(xué)量化體現(xiàn)的。

（3）由于 FRP 各向異性，因此對載荷與纏繞角變化非常敏感。此二項(xiàng)隨機(jī)性變化影響的科學(xué)量化，安全系數(shù)也是無能為力。

（4）對于承受內(nèi)壓作用的圓柱形薄壁 GFWRP 壓力容器，在實(shí)際承載過程中，其破壞過程因涉及基體開裂、裂紋擴(kuò)展、纖維斷裂及分層等導(dǎo)致分析變得復(fù)雜，這需要從宏觀和細(xì)觀力學(xué)性能分析入手，將復(fù)合材料壓力容器在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的材料非線性和幾何非線性相結(jié)合進(jìn)行分析計(jì)算，這也是纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的重要依據(jù)。

結(jié)束語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastics，GFRP）以其比強(qiáng)度和比模量高、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好及耐腐蝕性能好，等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車、造船、化工、建筑等軍工和民用領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料氣瓶的廣泛應(yīng)用，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來減輕結(jié)構(gòu)重量，提高性價(jià)比，對實(shí)現(xiàn)安全和經(jīng)濟(jì)的有效統(tǒng)一具有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

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（作者身份證號(hào)碼：130528198204184817）