碳纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu)及制造工藝

馮中濤　丁天霖

摘? 要：纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點并且在制造成型上具有多選擇性，纖維纏繞壓力容器和傳統(tǒng)壓力容器都有自己的結(jié)構(gòu)和制造過程具有一些共同的特征。纖維纏繞壓力容器按外形分類有圓柱形、球形、矩形、環(huán)形四種。本文基于碳纖維纏繞壓力容器實際情況，對其結(jié)構(gòu)及制造工藝進行論述。

關(guān)鍵詞：碳纖維;結(jié)構(gòu);制造工藝

隨著先進復(fù)合材料的研制以及計算機技術(shù)的應(yīng)用，輕量化、高強度、高性價比、節(jié)能減排已成為復(fù)合材料氣瓶研制的主要課題，基于此角度，本文就碳纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu)及制造工藝作如下研究分析。

一、碳纖維纏繞圓柱形壓力容器結(jié)構(gòu)

本文研究模型為圓柱形碳纖維纏繞壓力容器，它由鋁合金內(nèi)襯，纖維增強層，纖維外纏繞層和防撞層四個部分組成。

1.防撞層

防撞層是當(dāng)容器在外力作用于表面時起到保護增強纖維的作用，避免出現(xiàn)損壞。具有吸附?jīng)_擊能量，避免載荷集中單一區(qū)域，起到保護作用。通常選擇具有重量輕和良好的隔熱性、抗沖擊性的材料。工程上一般選用聚氨脂泡沫等無機或有機材料。

2.外保護層

外保護層的作用是預(yù)防纖維增強層受到外部的物理性打擊，如撞傷、割傷等。

3.纖維增強層

該層采用碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合制成。環(huán)氧樹脂其物理性質(zhì)特點，較優(yōu)異的力學(xué)性能和與纖維粘結(jié)時綜合性能突出。并且工藝上很成熟，耐腐蝕性和耐環(huán)境氣候性能佳，絕緣性和穩(wěn)定的尺寸，被廣泛應(yīng)用于其它各類型纏繞壓力容器中。

4.金屬內(nèi)襯

金屬內(nèi)襯的作用是：第一，作為纏繞芯模，提供外部接口和纏繞層的載體;第二，密封介質(zhì)，防止泄漏;第三，承擔(dān)較小的載荷。金屬內(nèi)襯的材料需與介質(zhì)能夠相容，并且還需具有良好延伸性及防腐蝕性能。

二、纖維纏繞基本線型

纖維纏繞壓力容器的纏繞線型主要有螺旋纏繞、環(huán)向纏繞和縱向纏繞三種。

1.環(huán)向纏繞線型

環(huán)向纏繞線型的主要纏繞流程：繞絲頭沿內(nèi)襯軸向均勻移動，內(nèi)襯作回轉(zhuǎn)運動，使纖維均勻完整的繞好全部內(nèi)襯筒身段。環(huán)向纏繞其工藝特點是無法在封頭纏繞，因此只有筒體作纖維纏繞，其纏繞角度小于90°。在保證容器強度的前提下必須充分發(fā)揮纖維的單向強度的作用。鑒于環(huán)向纏繞線型具有天然的局限性，壓力容器軸向方向沒有加強，因此本文中碳纖維纏繞壓力容器是環(huán)向纏繞和螺旋向纏繞相結(jié)合的方式。

2.縱向纏繞線型

縱向纏繞線型纏繞主要流程：內(nèi)襯作回轉(zhuǎn)運動，繞絲頭沿著軸向水平面作圓周運動。其纏繞的角度范圍在25°以內(nèi)，纖維纏繞軌跡是平面封閉圓。

3.螺旋纏繞線型

也稱為測地線式纏繞線型。纏繞過程：繞絲頭度沿內(nèi)襯軸線方向作往復(fù)移動，容器內(nèi)襯作回轉(zhuǎn)運動。纏繞角度在17°左右。相鄰纖維間相接但不相交，保證極孔圓周上的每個切點均有一條纖維。

三、內(nèi)襯與纖維纏繞制造工藝

1.內(nèi)襯制造工藝

（1）焊接成形

焊接成形工藝：主要包括劃線、下料、刨邊、卷圓、焊接等工序。主要不同在于鋁合金的焊接技術(shù)比碳鋼在工藝上更難，焊接質(zhì)量要求不能滿足，難以達到工藝要求，同時通常鋁制品容器焊接后沒有熱處理。

（2）旋壓成形技術(shù)

旋壓成型工藝流程：擠壓成形、閉合、熱處理、化學(xué)拋光、機械精加工等工藝組成。例如，使用化學(xué)、物理性能達標(biāo)的鋁合金基材，剪切制成薄片，經(jīng)表面裂紋檢測合格后拉壓成形，再經(jīng)表面拋光，二次測量及清潔處理，最后端口旋壓閉合。在纏繞纖維前還需仔細清潔內(nèi)襯的里外表面，并在內(nèi)襯外表面上貼上膠膜，使復(fù)合層與內(nèi)襯具有良好的粘結(jié)界面，并防止出現(xiàn)電腐蝕等不良現(xiàn)象。

2.碳纖維纏繞工藝

碳纖維纏繞工藝流程：依次進行浸膠、加熱、纏繞、固化BL碳纖維。工作過程為：附著在張力器上的碳纖維穿過浸膠槽浸膠后，繞絲嘴按設(shè)定的纏繞線型纏繞到內(nèi)襯容器表面上，內(nèi)襯容器安裝于主軸上，由主軸來驅(qū)動。浸膠有表面帶膠式浸膠和沉浸式浸膠兩種工藝。

由于基體多使用熱塑型樹脂，所以熱塑性纏繞、濕法纏繞和預(yù)浸纖維纏繞都需加熱處理固化。加熱器的目的是使纖維軟化，達到纖維材料粘結(jié)良好的目的，其溫度一般控制在100°C以內(nèi)。而對部分熱塑性纏繞加熱溫度要求更高時，可直接選用微波加熱法或者激光加熱法，能夠嚴格控制溫度保證加熱效果。按照基體材料的不同分類，成型工藝還有：濕法、干法和半干法三種工藝方法。

綜上所述，本文介紹了容器內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的外形類型和纖維纏繞制造工藝過程，并說明了容器內(nèi)襯及纖維層制造所需材料的性能指標(biāo)等。通過對纏繞制品的成型工藝及制造過程，闡述了纖維纏繞的基本原理。分別說明了三種纏繞工藝和纏繞線型特點和纏繞張力對纏繞成型質(zhì)量的影響。

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