6.8 L玄武巖纖維全纏繞復合材料氣瓶的研制及試驗研究

郝延平，劉揚濤

(1.沈陽特種設備檢測研究院，沈陽 110035； 2.沈陽中復科金壓力容器有限公司，沈陽 110141)

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·氣瓶檢驗·

6.8 L玄武巖纖維全纏繞復合材料氣瓶的研制及試驗研究

郝延平1，劉揚濤2

(1.沈陽特種設備檢測研究院，沈陽 110035； 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，針對市場上常規的6.8 L呼吸氣瓶，進行了氣瓶的纖維纏繞層計算和樣品制備，并對氣瓶進行了爆破及疲勞實驗。結果表明：本研究所研制6.8 L玄武巖纖維氣瓶爆破壓力為98 MPa，0～30 MPa壓力循環試驗10 000次氣瓶未泄漏，滿足設計要求，證明了玄武巖纖維應用于壓力容器領域的可行性。

關鍵詞:玄武巖纖維；氣瓶；爆破壓力；疲勞試驗

玄武巖纖維[1-3]，是玄武巖石料在1450～1500℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維，強度與日本東麗T300級碳纖維相差無幾，純天然玄武巖纖維的顏色一般為褐色，有些似金色。玄武巖纖維是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料，我國已把玄武巖纖維列為重點發展的四大纖維(碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯、玄武巖纖維)之一，并實現了工業化生產。玄武巖纖維的生產工藝決定了產生的廢棄物少，對環境污染小，產品廢棄后可直接在環境中降解，無任何危害，因而是一種名副其實的綠色環保材料。目前國內玄武巖連續纖維在建筑、路橋等領域已經有很多應用。

目前纖維增強復合材料壓力容器在國內的應用越來越廣泛，主要有玻璃纖維和碳纖維增強兩種[4-6]。本文使用某公司生產的玄武巖纖維進行了全纏繞高壓氣瓶的試制和爆破及疲勞試驗，目的是對玄武巖纖維用于高壓氣瓶的增強進行探討。

1試驗材料

纖維材料為某公司生產的玄武巖纖維，表面金黃色，見圖1，主要參數顯示如表1所示。

圖1　玄武巖纖維樣品

纖維直徑μm密度g/cm3拉伸強度/MPa拉伸彈性模量/GPa伸長率%132.8258888.62.98

為了檢驗玄武巖纖維應用于纏繞類壓力容器的可能性，本文針對公稱工作壓力為30 MPa的6.8 L的呼吸氣瓶進行了試制，最低設計爆破壓力不低于90 MPa，0～30 MPa水壓疲勞后氣瓶不能泄漏，且爆破壓力不低于81 MPa(最低設計壓力的90%)用玄武巖纖維代替碳纖維作為增強材料完成氣瓶的纏繞，并檢驗氣瓶的水壓爆破性能和疲勞性能。氣瓶內膽為6061鋁合金內膽，幾何參數如表2。

表2　LWD145-6.8-2.5鋁合金內膽參數

試驗設備：武漢理工大學制纏繞機、固化爐、水壓試驗機、疲勞試驗機、水壓爆破試驗機。

2纏繞氣瓶的設計及試制

纏繞角一般按照測地線纏繞的方式來確定，如下式所示：

縱向纏繞纖維設計厚度：

依據設計結果設計纏繞線形，按照環向和螺旋交替的原則進行纏繞，纏繞張力逐層遞減。纏繞過程中，玄武巖纖維在經過導紗輥、膠槽的過程中起毛現象不嚴重,與日本東麗T700S-12K碳纖維纏繞過程相比極為類似；但纖維展紗效果略遜于碳纖維，纏繞完成后氣瓶顏色呈黑色。完成纏繞后將氣瓶進行固化處理，固化制度為95℃ 1.5h+145℃ 4h，保證樹脂固化度不低于90%，表3為纏繞后氣瓶重量參數。

表3　纏繞前后氣瓶重量

3氣瓶水壓爆破試驗及疲勞試驗驗證

3.1氣瓶水壓爆破試驗

水壓試驗：自緊壓力為58 MPa保壓2 min，水壓試驗壓力為50 MPa保壓1 min。水壓爆破試驗：L05爆破壓力98 MPa，達到設計要求(≥90 MPa)。爆破位置的起始段位于氣瓶中部，與碳纖維纏繞氣瓶的爆破方式極為一致，同時滿足國家標準和DOT-CFFC的要求[7]，如圖2所示。

圖2　典型水壓爆破試驗后氣瓶形貌

3.2疲勞試驗

L31號氣瓶進行疲勞試驗，試驗方法為工作壓力0～30 MPa壓力循環10 000次，疲勞之后爆破壓力為89.3 MPa，達到設計要求(81 MPa)。破口位置同樣位于直筒段(見圖3)。

圖3　疲勞試驗后水壓爆破氣瓶形貌

4結論

1.玄武巖纖維作為增強材料適合高壓氣瓶使用；

2.本研究所試制的玄武巖纖維氣瓶爆破壓力為98 MPa；0～30 MPa疲勞試驗后氣瓶并未泄漏，疲勞后爆破壓力為89.3 MPa，均滿足設計要求。

參考文獻：

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[2] 鄭志才,葛林海,陳艷，等.玄武巖纖維增強樹脂基復合材料力學性能研究[J].航空制造技術，2011(17)：66-69.

[3] 王明超,張佐光,孫志杰，等.連續玄武巖纖維及其復合材料耐腐蝕特性[J].北京航空航天大學報,2006,10(32): 1255-1258.

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[5] 王曉潔,張煒,劉炳禹，等.高性能碳纖維復合材料耐壓容器研究進展[J].宇航材料工藝,2003,33(4):20-23.

[6] 劉亞君,金玉娟.車用鋁內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶設計要點[J].壓力容器，2009(12)：20-23.

[7] 周海成,阮海東.纖維纏繞復合材料氣瓶的發展及其標準情況[J].壓力容器,2004(9):32-36.

The Development and Mechanical Tests of 6.8L Basalt Fiber Fully Wrapped Composite Cylinder

HAO Yanping1, LIU Yangtao2

(1.Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035，China；2.Shenyang Zhongfukejin Pressure Vessels Co., Ltd., Shenyang 110141，China)

Abstract:Basalt fiber instead of carbon fiber was used to produce 6.8 L fiber fully wrapped cylinders. The composite layers of the cylinder were determined and the pressure cycle test and burst test were studied in this research. The results show that the burst pressure is 98 MPa, and there is no leap on the cylinder after 0～30 MPa pressure cycle test. The results also show that basalt fiber can be used for manufacturing cylinders.

Key words:basalt fiber；cylinder；burst pressure；pressure cycle test

收稿日期：2016-05-16

中圖分類號：TQ051.3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)03-0047-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.012

作者簡介：

郝延平(1966)，男，高級工程師，現就職于沈陽特種設備研究院。E-mail：haoyanpng@126.com