玄武巖纖維全纏繞壓力容器的研制與驗證

齊　磊，劉揚濤，王大為，張剛翼，黃　興，歐陽新峰

(1.中國復合材料集團有限公司，北京 100037；2. 沈陽中復科金壓力容器有限公司，沈陽 110141)

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玄武巖纖維全纏繞壓力容器的研制與驗證

齊磊1，劉揚濤2，王大為2，張剛翼1，黃興1，歐陽新峰1

(1.中國復合材料集團有限公司，北京 100037；2. 沈陽中復科金壓力容器有限公司，沈陽 110141)

摘要:選用玄武巖纖維為增強材料，制備了NOL環試樣，進行了濕熱處理和剪切試驗驗證。根據網格理論，針對2.4 L玄武巖纖維纏繞氣瓶進行了復合層設計，確定了纖維纏繞厚度和纏繞角度，對所制樣品進行了疲勞及爆破試驗驗證。結果表明：玄武巖纖維復合材料較玻璃纖維復合材料具有更優的界面粘結和濕熱老化特性，所制備的氣瓶經過0-21+0.2-0 MPa壓力循環的10 000次疲勞實驗后未發生泄漏；爆破壓力為77.1 MPa，驗證了設計的合理性。

關鍵詞:玄武巖纖維；濕熱老化；壓力容器；疲勞試驗；爆破試驗

1概述

目前復合材料壓力容器[1-3]使用的增強材料主要為玻璃纖維和碳纖維。玻璃纖維復合材料存在一些自身的特點：強度高、彈性模量高，但是存在耐候性差，吸水性高，對酸、堿和其他腐蝕性介質的化學穩定性比較差的缺點。碳纖維復合材料的特點比較突出，強度、模量、耐候性、耐腐蝕性均較玻璃纖維顯著，但存在明顯的缺點：成本過高，采購容易受到市場限制。玄武巖纖維具有其特殊的優勢[4-5]，強度較玻璃纖維有所提高，耐水性、耐候性的優勢較玻璃纖維更加明顯，相比碳纖維也具有明顯的成本優勢——這為制備一種耐老化特性優良、成本低廉的高壓容器提供了可能。

本研究以玄武巖纖維纏繞氣瓶的強度設計為切入點，針對玄武巖纖維復合材料的耐老化特性進行了研究，完成了玄武巖纖維氣瓶的結構設計和樣品的試制，并對該氣瓶進行了疲勞及爆破試驗，試驗結果符合設計要求，為玄武巖纖維在壓力容器領域的產業化應用提供了支撐。

2實驗材料與方法

實驗材料：CYD128環氧樹脂，中石化巴陵石油化工有限責任公司；固化劑甲基四氫苯酐、促進劑甲基六氫苯酐，天津合成材料研究所；樹脂體系重量比為100：83：1。BC13-1200玄武巖纖維，四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司；ER550-1080玻璃纖維，重慶國際復合材料有限公司。

實驗方法如下：

1. NOL環及壓力容器的制備。將樹脂、固化劑和促進劑按重量比混合，攪拌均勻注入膠槽，利用DN450-2000型號四維三軸數控纏繞機，分別采用玄武巖纖維和玻璃纖維在專有模具上制備NOL環試樣；采用玄武巖纖維作為增強材料纏繞制備復合材料壓力容器。

該壓力容器具體規格為：公稱容積V=2.4 L，工作壓力為20 MPa；技術指標為：經過0-21+0.2-0MPa的壓力循環10000次不發生泄漏；爆破壓力≥68 MPa；本研究所選用的鋁合金內襯尺寸見圖1：

圖1　鋁合金內襯尺寸

2. NOL環剪切試驗。將NOL環試樣置于100℃的蒸餾水中濕熱處理24 h，按照GB/T 1461—1988( 纖維增強塑料環形試樣剪切試驗方法)，在萬能材料試驗機上分別測試兩種NOL環的剪切強度。

3. 疲勞及爆破實驗。按照GB 9252—2001-T《氣瓶疲勞試驗方法》及GB 15385—2011《氣瓶水壓爆破試驗方法》，利用疲勞試驗機和水壓爆破試驗機對壓力容器進行，記錄爆破值及爆破位置情況。

3結果與分析

3.1玄武巖纖維及NOL環的性能研究

本文首先針對玄武巖纖維的基本性能進行了研究，并與纏繞氣瓶領域常用的ER-550玻璃纖維進行了比較，結果如表1所示。

表1　兩種纖維的基本性能

由表1可以看出，本研究所選的玄武巖纖維強度和模量均高于玻璃纖維，兩種纖維的直徑和密度基本相當，玄武巖纖維的吸濕率遠小于玻璃纖維。采用兩種纖維作為原材料分別制備NOL環試樣，并對該試樣置于100℃的蒸餾水中處理24 h，兩種纖維復合材料的剪切性能隨時間變化結果如圖2。

圖2　水煮老化下兩種纖維復合材料的剪切強度變化

由圖2可以看出，初始干態玄武巖纖維復合材料(BFRP)的剪切性能高于玻璃纖維復合材料(GFRP)，隨著濕熱時間處理的延長，兩者的剪切強度均表現出下降的趨勢，玻璃纖維復合材料的強度下降率更為明顯；濕熱處理后玄武巖纖維復合材料的剪切強度保留率為93%，玻璃纖維復合材料的剪切強度保留率為83%，玄武巖纖維復合材料表現出了更高的層間剪切強度保留率。這可能由于玄武巖纖維表面含有Si-O、Fe-O、Al-O鍵及羥基等基團[6]，這些基團與環氧樹脂的極性基團結合形成較強的化學鍵合作用，因而玄武巖纖維與樹脂基體與玻璃纖維相比具有更優的界面粘結特性。考慮到復合材料的濕熱老化性能主要在于樹脂基體和纖維與樹脂粘結的界面特性，更優的界面粘結保證了更高的剪切強度保留率，因此玄武巖纖維復合材料經過濕熱處理后表現出了更高的強度保留率，具有更優的耐濕熱老化特性。

3.2玄武巖纖維氣瓶復合層的強度設計

纖維全纏繞氣瓶的結構主要分為兩部分：內襯和纖維纏繞復合層，其中內襯的作用主要在于提供氣密性，復合層的主要作用在于提供強度，因此復合層的設計[7-10]對于纖維纏繞壓力容器來說至關重要。本研究針對2.4 L呼吸氣瓶的復合層依據網格理論進行了設計，對纏繞角度、復合層厚度的計算及纏繞線形等關鍵參數進行了確定。

筒身纏繞角公式為：

(1)

式中，r0為極孔半徑；R為鋁合金內襯半徑。

在以網格理論為基礎，氣瓶在內壓作用下螺旋和環向纏繞壁厚由式(2)給出。

(2)

式中，Pb為最小爆破壓力，取值68 MPa；[σb]為玄武巖纖維/環氧樹脂的許用應力，取值3100 MPa；k為強度利用系數，取值0.7。根據內襯的尺寸(包括外徑、封頭、極孔等)和最低爆破壓力等設計輸入的需求，將已知量帶入上述公式求解，所得玄武巖纖維纏繞壓力容器的復合層設計結果如表2所示。

表2　復合層設計結果

本研究采用濕法纏繞成型的方式完成氣瓶樣品的制備，纏繞過程中遵循以下兩個原則：采用極孔逐漸變大的變角度螺旋纏繞方式，避免纖維在封頭和底部出現堆積過度或架空；纏繞張力逐層遞減，以避免內層纖維出現應力松弛的情況。

3.3玄武巖纖維復合氣瓶的試驗驗證

氣瓶制造完成后對其性能進行疲勞和爆破試驗。抽取一只氣瓶進行10 000次0-21+0.2-0 MPa的壓力循環試驗，試驗完成后未發生泄漏，檢查外觀未發現肉眼可見的損傷和變形等缺陷；另外抽取一只氣瓶直接進行水壓爆破試驗，爆破結果為77.1 MPa，滿足設計要求；爆破形態如圖3所示。結果顯示氣瓶爆破位置位于直筒段，符合DOT-CFFC及國標GB 28053—2011《呼吸器用復合氣瓶》等標準[11]對氣瓶爆破位置的要求，證明了本研究玄武巖纖維全纏繞壓力容器復合層設計的合理性。

圖3　爆破壓力—進水量曲線及爆破形態

4結論

1. 本研究所選玄武巖纖維與玻璃纖維相比具有更高的拉伸強度和更低的吸濕率；玄武巖纖維復合材料的層間剪切強度高于玻璃纖維，濕熱處理后表現出了更優的強度保留率，這與玄武巖纖維與環氧樹脂形成的良好界面粘結相關；

2. 依據網格理論完成了玄武巖纖維纏繞壓力容器的設計，完成了樣品的制備，對其進行了疲勞、爆破試驗驗證，結果滿足技術指標需求，驗證了本研究設計的合理性。

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齊磊(1984)，男，碩士研究生，工程師，主要從事復合材料設計與表征。

The Development and Validation of Basalt Fiber Fully Wrapped Aluminum Liner Cylinder

QI Lei1, LIU Yangtao2, WANG Dawei2, ZHANG Gangyi1, HUANG Xing1, OUYANG Xinfeng1

(1.China Composite Group Co., Ltd., Beijing 100037, China;2.Shenyang Zhongfukejin Pressure Vessels Co., Ltd., Shenyang 110141, China)

Abstract:In this paper, basalt fiber was used to produce the NOL rings and 2.4 L fiber fully wrapped cylinders. The shear strength of the NOL rings before and after hygrothermal treatment was studied. The composite layers of the cylinder were designed based on the gird theory, and the composite layer thickness and winding angle were determined. In order to validate the rationality of the design, the pressure cycle test and burst test were studied. The result shows that the basalt fiber reinforced composites has better interphase adhesive and hygrothermal properties than glass fiber reinforced composite. There is no leap on the cylinder after 10000 times 0-21+0.2-0 MPa pressure cycle test, and the burst pressure is 77.1 MPa. The results show the design is reasonable and accurate.

Key words:basalt fiber; hygrothermal property; pressure vessel; pressure cycle test; burst test

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.006

中圖分類號：TQ051.3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)02-0021-04

基金項目：遼寧省沈陽市工業科技攻關專項(F14-032-2-00)

收稿日期：2016-01-19