壓力容器用復合材料的性能與應用分析

徐麗

摘 要：當今社會，壓力容器在在我們的工業活動中運用上非常廣泛，涉及了冶金、機械加工、安全防護、化工、石油、核能、航空等等各行各業中，甚至檢驗檢測上也有用到壓力容器。他是工業上必不可少的一項重要儀器，是衡量一個國家科技發展水平的重要標準。壓力容器的種類也非常多。針對不同的壓力等級，壓力容器的作用，可以細分不同的壓力容器裝備。由于壓力容器具有體積大，危險性高等特殊的特點，從壓力容器的制造材質上也是重要的部分，復合材料作為一種新型材料越來越多的被使用在壓力容器上，本文從復合材料壓力容器的性能和應用上進行剖析，為后續研究此類型材料壓力容器提供參考。

關鍵詞：壓力容器；制造材質；復合材料

引言：隨著壓力容器在生產制造中的廣泛使用，轉變了許多傳統行業的發展模式，使得冶金、機械加工、焊接和無損檢測等技術有了質的突破，特別是在一些高新科學智能技術的飛速發展，也帶動了相關產業的發展，在激烈的行業競爭中，對壓力容器也提出越來越高的要求，以適應時代的發展。在相同的環境作用力下，壓力容器與其他機械比，所具有的危險性更大，壓力容器的危險性主要是在技術層面和使用管理維護以及選材上。材料選取是衡量壓力容器質量和性能的關鍵部分，材料的所具有的機械強度和耐腐蝕性等性能等對與壓力容器的使用上也有重要作用。本文主要從選材的角度來進行分析，以復合材料的優勢結合壓力容器的特點來進行說明。

1復合材料概念

復合材料是指把兩種或兩種以上的不同性質的材料進行優化再結合在一起，形成一種新的材料。通過多種材料的結合，使得性能在原有的基礎上再增強。復合材料主要是金屬、聚合物、無極膠囊等。根據復合材料所結合的不同的材料性能又可以分為，金屬復合材料和非金屬復合材料以及增強復合材料。復合材料結合多種材料的優點，在物理和化學性能上都更比單一材料更優越，綜合了多種材料結合成一種材料，化學性能更穩定。物理性能也在一定程度上加強，經過復合材料所制造的壓力容器更加輕便，韌度強，剛性復合材料內結合了纖維材料，在結構上更加豐富，以往單一的材料缺少纖維更容易斷裂，復合材料綜合多種材料物質，其中一個材質纖維斷裂后再補上另一材料，使得壓力容器能更持久的使用。復合材料是以金屬材料作為基體再結合其他材料，既保證了物體所需要的剛性，又具備了一定的承載力。

2 復合材料壓力容器的應力分析

復合材料壓力容器主要是指金屬與金屬復合材料，非金屬與非金屬復合材料，金屬和非金屬復合材料在壓力容器的特殊受力特點上的不同進行比較。在復合材料的物理性能方面，他是層次多面的沿著物體的厚度，每層產生不同性能轉化的的非均勻材料。由于他的變數較大，對研究工作來說較為困難，難于做出準確的判斷分析。復合材料結構的力學分析，所涉及的因素很多，變量也多，難以把控，除了一些特殊的和簡單的問題可以采用解析法求解外，其它的問題，需要采用數值方法。目前所采用的數值法有：

（1）有限元位移法，這是目前較為準確，有效的數值法，主要是把復合材料壓力容器進行剝離，把每個結構進行分開，采用細觀察有元法，和每個材料的基體，增強材質分成不同的區域，每個區域再分別進行分析觀察技術處理等，在每個區域再劃分單元，相同的常數劃分在一起分析，不同的再進行離散分析。從而得到該復合材料壓力容器的力學分析。

（2）應力雜交元法。這種方法是在原來的材質上假定一個單元應力場，再在其的周圍建立另一個單元應力場，通過兩個單元應力場之間所產生的最小余能原理，求的其中的單元剛度矩形。這種方法簡單易操作，在實際運用中也較多使用。

（3）有限元混元法這是通過部分的節點進行物理作用，產生位移反應，利用位移反應和節點力之間的作用，進行計算，這種計算方法較為簡便，誤差小，但是所形成的方程解法困難，不利于廣泛的運用。

3 復合材料壓力容器的失效分析

復合材料壓力容器再使用的過程中，容易由于放置過久或者其他因素，而導致復合材料壓力容器失效。目前失效形式有內襯泄漏和復合層爆破兩種類型，復合層爆破會形成災難性事故，釋放內部的氣體，吸入將對人體產生危害，嚴重者甚至會導致死亡，一些復合材料壓力容器內部甚至有易燃易爆氣體，若爆破則會導致附近也產生一定規模的爆破，后果不堪設想。而內襯層泄漏主要是由于腐蝕影響，外層復合材料斷裂則是由于存在缺陷導致強度不足引起的。由于材料本身的承載力有限，隨著時間過長，多次使用磨損，容易讓容器承載力遭到破壞。或者由于在使用的過程中，產生擠壓碰撞，導致內部結構性能錯亂，纖維斷裂，性能造成破壞。或者由于內部受到腐蝕作用，造成內襯泄露，長期腐蝕導致內襯出現缺陷而泄露，這些因素都是復合材料壓力容器失效的原因之一。

4 復合材料在壓力容器中的應用

4.1 內壓容器各種航天器和導彈系統需要輕質高性能壓力容器，一般是在內襯材料，如 Al、Ti、不銹鋼外纏繞復合材料，目前這種金屬內襯復合材料廣泛用于航天器、汽車、軍用飛機等方面。

4.2 外壓容器

海洋的勘測開發、科學研究及水下武器裝備都離不開潛水外壓容器，尤其是大深度的潛水裝備，對外壓容器材料提出了更高的要求。碳纖維復合材料強度高、模量大、密度小、尺寸穩定性好、線膨脹系數低，另外，還具有優異的耐海水、耐酸、耐堿、耐溶劑腐蝕特性，適用于做大深度的潛水外壓容器，如法國的海鱔魚雷殼體采用碳纖維復合材料，該魚雷的最大潛水深度超過 100m。目前最常用的潛水外壓容器殼體材料是鋁合金。據報道，采用碳纖維復合鋁合金后殼體耐壓強度提高 9%～29%，這對于提高殼體的耐靜水外壓能力，增加潛水深度有明顯效果。

結束語

復合材料近年都得到很多突破，在機械制造上的強度、耐腐蝕性和復合材料的質量輕便上，都有很大的進步，且復合材料是人體設計加工制造而成，能夠有效的滿足當前的生產生活需求，給制造和生產都帶來的極大方便。但是由于目前復合材料壓力容器是新型科技發展的新成果，仍處于剛剛起步的階段，還沒有成套的理論分析，對復合材料壓力容器的內部結構變化尚不能做明確分析，在技術層面上也不能和科技發達的國際相提并論，在設備和經濟成本上還有很大不足點，在以后的拓展復合材料壓力容器應用范圍的同時，應加強復合材料壓力容器的基礎 研究，在設計和技術上不斷的完善整改，取得更大的進步。

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（作者單位：江蘇永盛傳熱科技有限公司）