遲曉斌 張達(dá)

摘要：近些年來(lái)隨著工業(yè)生產(chǎn)流程的復(fù)雜化，使得其對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求越來(lái)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(shì)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(kāi)發(fā)出來(lái)。本文主要對(duì)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(duì)碳纖維復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后分別對(duì)三個(gè)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;壓力容器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);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(wú)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(kāi)發(fā)出來(lái)，并且逐漸得到了越來(lái)越多的關(guān)注，為此本文對(duì)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(shí)在復(fù)合材料當(dāng)中，每一個(gè)組分的材料都是單獨(dú)存在的，并沒(méi)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(gè)組分的性質(zhì)不同。對(duì)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(shù)脂，這種材料的主要特點(diǎn)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(yùn)用。

二、碳纖維復(fù)合材料壓力容器概述

對(duì)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(duì)于內(nèi)襯層而言，作用就是防漏、防腐蝕，對(duì)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(guò)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(duì)碳纖維材料進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)于碳纖維而言，屬于增強(qiáng)相。把碳纖維浸在樹(shù)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(gè)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(yùn)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(lái)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(duì)復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展起到了推動(dòng)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(gè)方向上。

（一）容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的發(fā)展

當(dāng)前復(fù)合材料壓力容器在制造過(guò)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(wèn)題，那么一定要針對(duì)容器實(shí)施相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我國(guó)學(xué)者陳小平研究了目前市場(chǎng)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(guò)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(dòng)了這種復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展。

對(duì)于碳纖維纏繞層而言，在壓力容器當(dāng)中，是對(duì)外界壓力進(jìn)行承載的主要結(jié)構(gòu)，因此對(duì)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(jì)非常的重要，主要包括纏繞張力的設(shè)計(jì)、纏繞角度的設(shè)計(jì)以及纖維層厚度的設(shè)計(jì)。國(guó)外的一名學(xué)者Arhant對(duì)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(dòng)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(duì)壓力容器的要求也越來(lái)越高，這大大推動(dòng)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(lái)越多，性能優(yōu)化就是基于當(dāng)前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行優(yōu)化模型的構(gòu)建，通過(guò)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(lái)，從而使得壓力容器的性能得到提升，同時(shí)壓力容器的質(zhì)量也會(huì)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(wèn)題，使得復(fù)合材料壓力容器經(jīng)濟(jì)性得到提升。我國(guó)學(xué)者陳瀟灑針對(duì)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(shí)驗(yàn)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(lái)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(zhǎng)，同時(shí)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(cè)方面的發(fā)展

對(duì)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(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)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(huì)存在著不安全問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)會(huì)造成很大威脅，所以近些年來(lái)復(fù)合材料壓力容器的損傷檢測(cè)技術(shù)得到了發(fā)展。

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

四、碳纖維復(fù)合材料壓力容器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(huì)越來(lái)越廣泛，相關(guān)的技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟。但是就目前形勢(shì)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(lái)，未來(lái)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(gè)方面：

（1）對(duì)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(lái)碳纖維復(fù)合材料使用年限評(píng)估以及損傷檢測(cè)等技術(shù)會(huì)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(gè)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(zhǎng)，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(gè)優(yōu)勢(shì)還要繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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