碳纖維纏繞復(fù)合材料在潛水外壓容器上的應(yīng)用

王艷玲 劉洪上

摘要：現(xiàn)階段，最常采用的潛水外壓容器的殼體材料是鋁合金，本文重點討論采用高強度、高模量碳素長纖維復(fù)合增強的圓筒形鋁合金容器筒體和整體為樹脂基纏繞復(fù)合材料的筒形殼體。兩種筒體均達到了減輕殼體自身的重量和增加耐靜水外壓的目的。

關(guān)鍵詞：纏繞復(fù)合;圓筒體;圓管潛水;外壓容器

碳纖維纏繞復(fù)合材料可以提高圓筒的靜水耐壓性能。其原因在于在屈曲破壞的初始階段，圓筒形殼體的周長并非縮小而是增加，沿筒壁表面的母線的長度也增加。因此，當發(fā)生屈曲失穩(wěn)時，無論是沿圓周方向或是母線方向的鋪層纖維都將受到張應(yīng)力。具有高抗張強度和拉伸模量的碳纖維將約束筒體在靜水外壓作用下的屈曲變形，從而提高筒體的耐靜水外壓能力，增加它的潛水深度。

一、纏繞復(fù)合增強后耐靜水外壓實驗結(jié)果的例證

1.鋁合金筒體外施加樹脂基碳纖維纏繞復(fù)合前后的耐壓性能對比。選用外徑D=29.8mm，內(nèi)徑d=26mm，長l=l00mm的YL-fl鋁合金圓筒，筒體外施以三種不同方式的纏繞復(fù)合。通過打壓實驗，測定復(fù)合前后的耐靜水外壓性能，纏繞復(fù)合對筒形容器的耐靜水外壓性能都起到了增強作用，其中以圓周纏繞的增強作用更為明顯。軸向纏繞與圓周纏繞若能配合得當可以獲得很好的效果。此外，從被打壓破壞后的實物看出，復(fù)合層為脆性破裂，鋁合金筒為塑性變形屈曲破壞，在破壞處鋁合金與復(fù)合體分離，若能提高兩者界面的面結(jié)合強度，筒體的耐壓性能還將有進一步的提高。

2.破纖維纏繞復(fù)合材料圓筒的耐靜水外壓效果。采用兩種不同的正交纏繞鋪層方式制作兩只內(nèi)徑d=200mm，長l=400mm的承壓筒體。第1只為軸向繞一層，然后周向繞一層，交替進行，共鋪12層，筒壁厚度為3.5mm。第2只為軸向一層加周向兩層，交替進行共鋪12層，筒壁厚為4.5mm。經(jīng)打壓實驗，測定其破壞壓強分別為3.1MPa及5.0MPa。若按相同重量和相同排水體積而采用鋁合金材料制作，其計算承壓能力僅為1MPa左右。可見選用適當?shù)奶祭w維增強樹脂基復(fù)合材料和工藝制作筒形承壓容器，具有很大的減重和增加潛水深度的潛力。采取正交纏繞和螺旋纏繞鋪層，順序為90°（圓周纏繞）-30°（螺旋纏繞）-0°（軸向纏繞）-90°，共鋪4層。圓筒外徑D=80mm，內(nèi)徑d=76 mm，長Z=120mm。共制作3只。破壞時的壓強分別為1.60MPa、1.85MPa及2.00MPa。為了便于對比，還制作了正交纏繞鋪層90°-0°-90°圓筒1只，外形尺寸同上。其破壞時的壓強為4.75MPa。

3.纏繞復(fù)合對承壓管的軸向抗壓增強作用。筒形潛水外壓容器除受到徑向均布壓載外，還受到軸向壓載。以圓管作為承壓構(gòu)件在船舶及其它工程結(jié)構(gòu)中也是經(jīng)常采用的。當筒為長度與直徑之比較大的細長管時，施于軸向的壓載造成失穩(wěn)的威脅隨之出現(xiàn)。實驗表明，當圓管受到軸向壓載時，在開始變形階段，其橫截面的周長總是逐漸增加。無論是產(chǎn)生彈塑性變形，或因失穩(wěn)而造成折皺和彎曲，其周長將隨應(yīng)力的增加而加大。為提高圓管的軸向承載能力，不論是纏繞復(fù)合方法約束管外壁周長的擴展防止圓管表面局部失穩(wěn)，還是以某種方法約束圓管的軸向彎曲變形防止整體失穩(wěn)的發(fā)生，都可以起到提高圓管結(jié)構(gòu)的抗壓強度、剛度和穩(wěn)定性的作用。實驗采用外徑D=20mm，內(nèi)徑d=17mm，長Z=153mm的YL-1鋁合金管，分為管外壁不予增強（1號）、外壁用碳纖維沿圓周纏繞增強（2號），及沿管壁圓周和軸向兩處方向纏繞碳纖維增強（3號）。軸向加載測定其抗失穩(wěn)性能，當軸向壓載在8.28kN時，1號試件明顯彎曲呈失穩(wěn)狀態(tài)，卸載后的殘余應(yīng)變?yōu)?%。在相同載荷下，2號及3號試件均未發(fā)生明顯彎曲現(xiàn)象。繼續(xù)加載到13.7kN時，2號試件明顯彎曲，殘余應(yīng)變?yōu)?.2%，較1號試件的殘余應(yīng)變大;此時3號試件還沒有明顯彎曲。對3號試件加載到15.5 kN，3號試件的增強纖維復(fù)合層沿母線方向有3處出現(xiàn)叉形劈裂，最長的裂縫達37mm，有一處沿周向壓折，造成纖維斷裂。在加載過程的后期，隨著載荷的增加伴有間斷性可聽到的聲發(fā)射及從材料試驗機表盤上觀察到指針的抖動。這表明增強纖維承受的拉應(yīng)力已超過其強度極限，從而產(chǎn)生非連續(xù)斷裂。

二、碳纖維復(fù)合材料在高壓容器中的應(yīng)用

1.碳纖維復(fù)合材料在承受內(nèi)壓容器中的應(yīng)用。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、軍用飛機等方面。美國SCI具有23年生產(chǎn)復(fù)合材料壓力容器的經(jīng)驗，并且是薄壁鋁合金/碳纖維纏繞壓力容器的先驅(qū)。金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞壓力容器，分別對內(nèi)襯進行檢測，結(jié)構(gòu)設(shè)計，纏繞成型，對壓力容器進行各種試驗，如X射線探傷、尺寸檢測、水壓檢測、常溫、極限溫度疲勞試驗等，最終交付產(chǎn)品。

2.碳纖維復(fù)合材料在潛水外壓容器中的應(yīng)用。海洋的勘測開發(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，對外壓容器材料提出了更高的要求。由于碳纖維復(fù)合材料強度高、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，如法國的海蟮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100 m。目前最常用的潛水外壓容器殼體材料是鋁合金。據(jù)報道，采用碳纖維復(fù)合鋁合金后殼體耐壓強度提高9%～29%，這對于提高殼體的耐靜水外壓能力，增加潛水深度有明顯效果。

三、結(jié)論

用高強度、高模量碳纖維對圓筒（或圓管）進行周向纏繞復(fù)合，可阻止其截面的擴張和翹曲，阻止或延緩局部失穩(wěn)的出現(xiàn)。沿母線纏繞復(fù)合可阻止其縱向彎曲的發(fā)生和延緩彎曲的出現(xiàn)，從而提高抗彎曲的整體穩(wěn)定性。由此可見，圓筒或圓管的外壁以適當?shù)匿亴臃椒ㄓ酶邚姸取⒏吣Ａ康倪B續(xù)纖維進行纏繞復(fù)合后，可以在不增加或少許增加自身重量的情況下，對于防止構(gòu)件局部失穩(wěn)，增強整體的穩(wěn)定性，提高承載能力產(chǎn)生明顯的效果，即在承壓容器重量一定的條件下具有大的承壓能力，或是在承壓能力一定時具有輕的自身重量。此外，由于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異耐海水及耐強酸、堿、溶劑等腐蝕的性能，具有疲勞強度高和良好的振動阻尼性能，比重?。?.7g/cm3左右），線熱膨脹系數(shù)低（纖維方向為0.2 x10-6℃-1）以及在疲勞裂紋出現(xiàn)時有明顯的聲發(fā)射報警等優(yōu)越的物理、化學(xué)性能，故纏繞復(fù)合材料更加適用于大深度的潛水外壓容器，例如大深度、低噪聲重型魚雷殼體以及其它深水武器裝備等。據(jù)報道，法國的海鱔魚雷殼體已采用碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造。該魚雷的最大潛水深度超過l00m，最高航速超過50 k n?？梢灶A(yù)料，這種用于水下武器及其它深潛器殼體的新材料、新工藝將會在減重、增強、降噪、耐疲勞以及在溫度變化的情況下保持外形尺寸的穩(wěn)定性等方面展現(xiàn)其優(yōu)越的性能，從而受到重視和應(yīng)用。

總之，纏繞復(fù)合對于提高筒體的耐靜水外壓能力將產(chǎn)生明顯的增強效果。其原因在于在屈曲破壞的初始階段，圓筒形殼體的周長并非縮小而是增加，沿筒壁表面的母線的長度也增加。因此，當發(fā)生屈曲失穩(wěn)時，無論是沿圓周方向或是母線方向的鋪層纖維都將受到張應(yīng)力。具有高抗張強度和拉伸模量的碳纖維將約束筒體在靜水外壓作用下的屈曲變形，從而提高筒體的耐靜水外壓能力，增加它的潛水深度。

參考文獻：

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