移動式碳纖維復合材料密閉壓力容器的設(shè)計

李 帥

（錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧錦州 121000）

0 引言

壓力容器一般可以在高壓、高溫以及強化學腐蝕等惡劣環(huán)境中使用，環(huán)境的惡劣程度決定了制造壓力容器的材料在性質(zhì)基本上都具有耐高溫、耐高壓以及耐腐蝕等特點。為保證壓力容器設(shè)計時能夠具備上述特點，并且在惡劣環(huán)境中的適應程度，需要對它的安全性能給予高度的關(guān)注，同時還要保證所有的設(shè)計參數(shù)都應符合相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)規(guī)范的要求。

通過對纖維纏繞氣瓶組成成分以及纏繞成型工藝的具體類型與特點進行分析對比，固化工藝，環(huán)氧體系的配方、配比，按照氣瓶的相關(guān)標準，進行碳纖維纏繞復合材料氣瓶的設(shè)計。

1 成型工藝

1.1 纏繞工藝

復合材料氣瓶是通過在金屬芯模上纏繞碳纖維或玻璃纖維以增加壓力容器的性能，可以使纖維纏繞氣瓶擁有更廣泛的應用。纏繞工藝分為干法纏繞，濕法纏繞和半干法纏繞，每種纏繞工藝都具有其各自的特點，本次設(shè)計的纏繞工藝將使用干法纏繞，干法纏繞可以進行更為精確的控制，使纏繞氣瓶的品質(zhì)更高，生產(chǎn)效率快，衛(wèi)生條件好。

1.2 纏繞線型

環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、縱向纏繞是纖維纏繞氣瓶的3 種纏繞線型。本文采用環(huán)向纏繞和螺旋纏繞兩種線型相結(jié)合的方式來設(shè)計氣瓶。

（1）環(huán)向纏繞。環(huán)向纏繞是氣瓶繞自身軸向轉(zhuǎn)動，并且導絲頭沿氣瓶的軸向運動，氣瓶每旋轉(zhuǎn)一周，導絲頭運動一個紗片的距離，如此往復使纖維均勻地纏繞在內(nèi)襯外表面。

（2）螺旋纏繞。螺旋纏繞是氣瓶內(nèi)襯沿著自身的軸線進行圓周運動，并且導絲頭沿著氣瓶的軸線進行特定的運動，纖維的纏繞螺旋線在內(nèi)襯筒體與封頭外表面進行纏繞。

（3）縱向纏繞?？v向纏繞是導絲頭沿著固定平面進行勻速圓周運動，使氣瓶內(nèi)襯沿著自身軸向轉(zhuǎn)動，當氣瓶內(nèi)襯旋轉(zhuǎn)特定角度的時候，導絲頭即旋轉(zhuǎn)了一周。

1.3 纏繞張力

為了改善壓力容器的抗疲勞強度，并且還可以設(shè)計纖維在內(nèi)膽上進行線性排列，使氣瓶的金屬內(nèi)膽與外部纖維纏繞層之間產(chǎn)生一定預應力，就需要在纏繞過程中施加一定的張力。其中最實用、最有意義的是在纖維纏繞后使各層的應力相等，即等張力纏繞。GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶標準》的修改借鑒了國外標準，但由于國內(nèi)纖維纏繞各層間張力普遍較小，因此對各層預應力標準并未明確。隨著科技的不斷進步，纖維纏繞可以在更大而穩(wěn)定的張力下進行。在等效降溫法中，等張力纏繞條件下，氣瓶的各層纏繞張力與纏繞預應力為：

其中，Ti是復合材料層的第i 層的纏繞張力，E1是內(nèi)膽彈性模量，Eθ是復合材料層單層板的環(huán)向（縱向）纏繞彈性模量，t1是內(nèi)膽壁厚，n 是材料層的總層數(shù)，i代表復合材料層的第i 層，t2是復合材料層單層板的厚度，σ2θ是復合材料層的環(huán)向應力，fi是復合材料層的第i 層對一股纖維所加張力，M 是纖維束密度

1.4 浸膠工藝

浸膠對于纖維纏繞復合材料氣瓶是一個極為重要的過程，浸膠工藝對制品的質(zhì)量、厚度、剪切強度、防老化性等多種性質(zhì)均有影響，因此對含膠量準確的使用、浸膠時間、出紗速度等工藝的控制變得尤其重要。同時，不同的纏繞工藝所使用的浸膠工藝也不相同，例如干法纏繞，浸膠工藝包括熱熔浸漬法、溶液浸漬法、粉末工藝法等；濕法纏繞則有直浸法和膠輥接觸法等。

本次設(shè)計選用干法纏繞，因此浸膠工藝選用溶液浸漬法。溶液浸漬法是將拉緊的紗布通過機器平行的輸送進裝有膠液的槽內(nèi)浸漬，然后再進行烘干處理，鋪隔離紙，在經(jīng)過熱軋輥壓實后成卷儲存。溶液浸漬法可以更好地浸潤纖維，而且設(shè)備簡單纖維的樹脂含膠量的控制范圍為23%～25%，本文取含膠量24%，纖維系數(shù)在0.7～0.8 的范圍內(nèi)取0.75。適當?shù)暮z量可以改善纖維增強體的各項性能，提高抗疲勞性，提高使用壽命等，使纖維纏繞氣瓶的整體氣密度升高。

1.5 固化工藝

固化工藝指的是使樹脂分子內(nèi)部那些具有流動性的線性分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成不溶、不熔的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，使之發(fā)生交聯(lián)反應的過程。固化工藝可以通過粘結(jié)所使用的纖維，讓其擁有更加優(yōu)異的物理化學性能，因此固化工藝是設(shè)計纖維纏繞復合材料氣瓶的重要步驟。根據(jù)所設(shè)計氣瓶的選材不同，所使用的固化劑也多種多樣，通常固化劑的分類為：低溫固化劑，常溫（室溫）固化劑以及高溫固化劑。

因為低溫固化劑、常溫固化劑容易在工藝未結(jié)束時使得纖維提前凝固，不易控制，因此本文選用高溫固化劑進行固化工藝。因其具有耐高溫，粘結(jié)牢，抗風蝕等優(yōu)異性能，對纖維進行固化后，可以提升纖維的耐熱和抗沖刷性能。

1.6 固化溫度

本文采用干法纏繞對碳纖維纏繞復合材料氣瓶進行纏繞，根據(jù)固化工藝的要求，整個過程分為升溫階段、恒溫階段和降溫冷卻階段。

升溫階段的升溫速率要保持穩(wěn)定，否則會導致低分子物質(zhì)的化學反應變得劇烈，從而產(chǎn)生大量氣泡。升溫速率慢一些可以將氣泡排出。

恒溫階段是為了讓樹脂進行充分固化，使氣瓶不會因為內(nèi)應力而導致氣瓶整體開裂，讓氣瓶進行固化收縮使各個部位達到平穩(wěn)。

降溫階段降溫的過程一定不能過快，要緩慢進行，不可驟降溫度，因為纖維纏繞氣瓶順向的線膨脹系數(shù)是垂向的4 倍，因此垂向纖維更易發(fā)生干裂，緩慢冷卻可以保證各個部分收縮一致。

為了避免固化劑出現(xiàn)低溫析出的情況，纖維纏繞過程中的浸漬環(huán)境溫度在15 ℃以上為佳。本文取用的固化溫度為90 ℃/2 h+125 ℃/4.5 h。

2 環(huán)氧體系配方

本次設(shè)計所使用環(huán)氧樹脂配方配比體系為LY564樹脂體系，原材料的樹脂基體為亨斯曼公司生產(chǎn)的雙酚A 類環(huán)氧樹脂，固化劑與促進劑選用巴斯夫公司生產(chǎn)的酸酐類固化劑和促進劑（表1）。

表1 環(huán)氧體系配方配比

將原料按照配比混合，攪拌均勻，制得環(huán)氧體系。

在90～95 ℃范圍內(nèi)，LY564 樹脂體系的黏度最低，當達到95 ℃以后黏度大幅升高，而LY564 樹脂體系在88.4 ℃時開始固化，因此凝膠溫度取90 ℃為佳。

LY564 樹脂體系理論固化工藝為：恒溫88.4 ℃持續(xù)一段時間，接著升溫至126.7 ℃進行恒溫固化，最后在恒溫163.6 ℃的條件下使樹脂充分固化。

3 氣瓶設(shè)計

3.1 氣瓶結(jié)構(gòu)

設(shè)計體積為8 L、工作壓力25 MPa、內(nèi)膽外徑為200 mm、瓶嘴外徑為30 mm 的碳纖維全纏繞復合材料密閉氣瓶。該氣瓶是鋁合金金屬內(nèi)膽，并在外部纏繞碳纖維與玻璃纖維，通過浸膠固化工藝制成。

3.2 設(shè)計依據(jù)及標準

根據(jù)國內(nèi)氣瓶設(shè)計標準GB/T 28053—2023《鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，氣瓶體積最大不超過12 L，工作壓力小于30 MPa，工作壓力是實驗壓力的3/5，且爆破壓力是工作壓力的3.4 倍，纖維的含膠量控制范圍取24%，纖維系數(shù)取0.75，上述氣瓶結(jié)構(gòu)符合設(shè)計標準。碳纖維復合材料氣瓶具有質(zhì)量輕、便于移動、使用方便、造價低等特點，適合目前市場大環(huán)境，在多個領(lǐng)域均有廣泛應用。

3.3 材料的選擇

3.3.1 金屬內(nèi)膽

選用6061 鋁合金作為金屬內(nèi)膽，表2 為6061 鋁合金的相關(guān)參數(shù)。

表2 6061 鋁合金相關(guān)參數(shù)

3.3.2 碳纖維

選用日本東麗公司的碳纖維T700SC-12000 作為纏繞纖維，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 碳纖維T700SC-12000 相關(guān)參數(shù)

3.3.3 玻璃纖維

本次設(shè)計選用S-2 玻璃纖維作為最外層纏繞纖維，相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 S-2 玻璃纖維相關(guān)參數(shù)

3.4 氣瓶設(shè)計計算

3.4.1 纏繞角計算

纏繞角計算公式：

式中 α——纏繞角，°

d——瓶嘴外徑，mm

D0——內(nèi)膽外徑，mm

根據(jù)設(shè)計參數(shù)d=30 mm，D0=200 mm，可求得纏繞角α≈8.63°。

3.4.2 纏繞層厚度計算

環(huán)向纏繞層厚度計算公式：

式中 R——內(nèi)膽半徑，mm

Pb——纏繞層氣瓶爆破壓力，N

σ0——纖維抗拉強度，MPa

求得t環(huán)=100×3.4×25×（2-tan28.63°）/（2×4900）=1.71 mm。即環(huán)向纏繞層厚度為1.71 mm。

單層厚度：t環(huán)單=A/b，其中，A 是紗帶截面積，b 是紗帶寬度。

團紗截面積：A0=ρ線/ρ體，其中，ρ線是纖維線密度，ρ線=800 g/km；ρ體是纖維體密度，ρ體=1.8 g/cm3。

紗帶截面積：A=nA0，其中：n 是纖維股數(shù)，n=4 股。

設(shè)一條紗帶寬度b0為5 mm，環(huán)向纏繞紗帶總寬度b=nb0=4×5=20 mm，則：單層厚度t環(huán)單=A/b=1.76/20=0.09 mm；環(huán)向纏繞層數(shù)n環(huán)=t環(huán)/t環(huán)單=1.71/0.09=19層；環(huán)向纏繞最終厚度t環(huán)終=n環(huán)t環(huán)單=19×0.09=1.71 mm。

螺旋纏繞層厚度計算公式：

代入數(shù)據(jù)得：t螺=100×3.4×25/（2×4900×cos28.63°）=0.89 mm。

纖維系數(shù)取0.75，則螺旋纏繞層實際厚度t螺實=t螺/0.75=0.89/0.75=1.19 mm。

螺旋纏繞層單層厚度t螺單=A/b，團紗截面積A0=0.44 mm2，紗帶截面積A=1.76 mm2，設(shè)纖維股數(shù)為4股，一條紗帶寬度b0=5 mm，螺旋纏繞的紗條寬度b螺=nb0=20 mm。

綜上可得：單層厚度t螺單=A/b=1.76/20=0.09 mm；螺旋纏繞層數(shù)n螺=t螺單/t螺單=1.19/0.09=14 層（取偶數(shù)）；螺旋纏繞最終厚度t螺終=n螺t螺單=14×0.09=1.26 mm。

4 結(jié)束語

隨著纖維復合材料的發(fā)展應用，原本應用于航空航天領(lǐng)域的金屬材料壓力容器漸漸的被纖維復合材料壓力容器所取代，由于碳纖維復合材料壓力容器具有優(yōu)良的性能，廣泛應用于多個行業(yè)領(lǐng)域，上至航空航天、水下艦艇、賽車的關(guān)鍵部件，下至氧氣瓶、呼吸器等。碳纖維壓力容器使用鋁合金或鈦合金殼體作為內(nèi)膽，充分起到了密封作用，并且還可作為芯模纏繞碳纖維或玻璃纖維，與傳統(tǒng)的鋼制壓力容器相比，具備質(zhì)量輕、造價低、制造方便、容易監(jiān)控等多種優(yōu)點。

纖維纏繞氣瓶使用較為合適的金屬內(nèi)襯，并在金屬內(nèi)襯外面纏繞碳纖維和玻璃纖維，這樣不僅減小了氣瓶的整體質(zhì)量，由于使用的纖維強度高、密度小而變得更加輕便，并且性能還得到大幅提升。其中碳纖維的成本較不銹鋼金屬氣瓶的成本價格更低，因此為降低氣瓶的制造成本，采用碳纖維、玻璃纖維纏繞制造氣瓶也更為恰當。其焊接量更少并且方便，再通過專用的機床來進行纖維纏繞，機械化程度較高。纖維纏繞氣瓶的可設(shè)計性強，可以根據(jù)對性能的需要，更靈活地改變金屬內(nèi)襯與纏繞纖維的選材。本次氣瓶設(shè)計，內(nèi)膽選材選取6061 鋁合金作為金屬內(nèi)襯，第二層選取日本東麗公司T700 碳纖維對氣瓶進行環(huán)向纏繞與螺旋纏繞，外部的保護纖維選取S-2 玻璃纖維進行纏繞，纏繞工藝選取干法纏繞，產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)良，產(chǎn)率高，耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞，精確度高。