基于復(fù)合材料的壓力容器研究與發(fā)展

楊紅亮

摘要：壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，然而在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，基于傳統(tǒng)金屬或合金材料的壓力容器已經(jīng)不能滿足大多數(shù)特殊用途或者極端環(huán)境下的物料運(yùn)輸，因此可以適用于復(fù)雜工況的復(fù)合材料壓力容器越來越多地被工業(yè)界所關(guān)注。

關(guān)鍵詞：壓力容器;復(fù)合材料;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH49?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1壓力容器類型

如今的壓力容器根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可分為四類：

①CNG?I型：全金屬結(jié)構(gòu)（一般是鋼材）。

②CNG II型：大部分是金屬，環(huán)向有一些纖維外包層，一般是鋼或者鋁材加玻璃纖維復(fù)合材料。金屬和復(fù)合材料分擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載。

③CNG III：全復(fù)合材料外殼，內(nèi)襯金屬，一般是碳纖維復(fù)合材料加鋁內(nèi)襯。復(fù)合材料承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載。

④CNGW型：全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，碳纖維或碳/玻璃纖維混雜復(fù)合材料加聚合物內(nèi)襯（一般是高密度聚乙烯）。復(fù)合材料承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)荷載。

這幾種壓力容器各有優(yōu)缺點(diǎn)。I型最廉價(jià)，估計(jì)生產(chǎn)成本為每升容積5美元，但它最重，約1.4kg/L II型的生產(chǎn)成本約高50%但能減輕重量30%～40% III型和W型重量更輕，約重0. 3kg-0. 45 kg/L，但其成本大致比II型高2倍，比I型高3. 5倍。

2 復(fù)合材料壓力容器

2.1復(fù)合鋼板壓力容器

復(fù)合金屬材料是指以不同種金屬和金屬相結(jié)合，結(jié)合面全面覆蓋貼合而形成的復(fù)合材料，其保證了高性能的同時(shí)也具有相對(duì)較低的成本，復(fù)合鋼板則是其中應(yīng)用較為廣泛的一種。復(fù)合鋼板材料主要以鋼作為基礎(chǔ)材料，通過軋制、堆焊或者爆炸等途徑將另外一種性質(zhì)不同的金屬與之在接觸面上精密結(jié)合而制成的新型復(fù)合材料。復(fù)合鋼板的優(yōu)勢(shì)在于取長補(bǔ)短，通過調(diào)整各層的材料和厚度，可以充分發(fā)揮各層材料在性能上的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的缺陷，從而得到最佳的力學(xué)性能和承壓表現(xiàn)。壓力容器用復(fù)合鋼板主要用在外壓容器中，以較薄的耐腐蝕層和較厚的高強(qiáng)度鋼板層所組成，其優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低成本，但是關(guān)鍵部位不適宜用太多的復(fù)合鋼板，避免造成整體強(qiáng)度的下降。復(fù)合鋼板最初被使用在農(nóng)業(yè)機(jī)械和工業(yè)機(jī)床刀具中，因?yàn)檫@些部件對(duì)復(fù)合力學(xué)性能的要求很高，隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)被擴(kuò)展應(yīng)用到汽車、船舶、航空航天器、大型礦山機(jī)械、建筑機(jī)械等設(shè)備上。壓力容器用復(fù)合鋼板以不銹鋼為主，鈦-鋼復(fù)合材料的強(qiáng)度也很高，其它的諸如鎳、銅、鋁、鉬和貴金屬的復(fù)合鋼板應(yīng)用較少。占比較大的基層材料為了追求性能與成本的平衡，多以碳鋼和合金鋼為主，而覆蓋層則以不銹鋼和耐腐蝕、耐高溫涂層為主，其中以不銹鋼為覆蓋層的復(fù)合鋼板主要用于壓力容器、化學(xué)品罐車和石油煉化罐中。壓力容器用復(fù)合鋼板按照厚度分為三個(gè)等級(jí)：薄板為 0.4～8 mm、中板為 9～20 mm、厚板為 21～150 mm。我國復(fù)合鋼板壓力容器的開發(fā)和應(yīng)用起步較晚，上世紀(jì)90 年代年才開始采用爆炸軋制法和爆炸法直接生產(chǎn)復(fù)合板供應(yīng)市場(chǎng)，此時(shí)的復(fù)合鋼板標(biāo)準(zhǔn)多是參照 JB 4733—1996《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板》這一標(biāo)準(zhǔn)，目前開發(fā)出更加嚴(yán)格的不銹鋼-碳鋼、1Cr18Ni9Ti+Q235、2205/16Mn、鋯-鋼等復(fù)合鋼板應(yīng)用于壓力容器制造，采用 ARB 工藝制造。對(duì)于工程上采用熱軋法技術(shù)，穩(wěn)定批量地生產(chǎn)寬幅、大尺寸復(fù)合鋼板是一種有效的生產(chǎn)方式，將來熱軋復(fù)合法也可能成為復(fù)合鋼板生產(chǎn)的主流。

2.2 纖維纏繞壓力容器

和金屬不同的是，柔軟度和韌性較強(qiáng)的纖維材料是一種高度靈活的材料，是一種典型的各向異性且非均勻的材料。通過改變不同材料的配比和疊放方式，其力學(xué)性能也會(huì)相應(yīng)變化，可以靈活地適用于不同的使用環(huán)境和工況，從而滿足復(fù)雜多變的生產(chǎn)和運(yùn)輸需要。例如，某種工況下所受縱向應(yīng)力為橫向應(yīng)力的 4 倍時(shí)，設(shè)計(jì)者將縱向和橫向纖維纏繞比設(shè)計(jì)為 4：1 時(shí)，便可以將縱向強(qiáng)度變?yōu)闄M向強(qiáng)度的 4 倍，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻化，從而避免材料因?yàn)閼?yīng)力不均勻而出現(xiàn)的斷裂、疲勞等問題。通過使用纖維材料，設(shè)計(jì)者可以為每個(gè)壓力容器在每種工況下設(shè)計(jì)出一種符合自身應(yīng)力要求的結(jié)構(gòu)，大大提高了壓力容器的適應(yīng)性。但是纖維纏繞材料也有其自身的不足，在外力和其它載荷的作用下，纖維材料相對(duì)于金屬更加易于變形，由于各向異性，變形的方向也向著四周，大大降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，可能會(huì)引起壓力容器部分結(jié)構(gòu)失效，在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)該考慮到這些外力的因素，避免其不足帶來的各種問題。纖維纏繞聚合物基復(fù)合材料（FWRP）壓力容器具有比強(qiáng)度和比模量高、耐腐蝕、可實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)等優(yōu)異性能，但是由于纖維材料的耐熱性、耐高溫性差，部分材料還容易受介質(zhì)腐蝕，因此纖維纏繞復(fù)合材料應(yīng)用于壓力容器需要金屬內(nèi)襯層和樹脂的配合。內(nèi)襯材料采用鋁合金和耐腐蝕塑料，其直接與壓力容器內(nèi)物料接觸，保證了壓力容器良好的密封性、耐高溫和高強(qiáng)度等要求。在過去幾年來非金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器經(jīng)歷了一系列問題，如碰撞強(qiáng)度低，接頭滲漏，內(nèi)襯與復(fù)合材料連接處脫落，由于溫度的降低引起脆裂或破裂，但是從性能方面考慮今后復(fù)合材料壓力容器是以金屬內(nèi)襯為發(fā)展趨勢(shì)。纖維纏繞層則是主要承受應(yīng)力載荷的一層，通過不同的纏繞和疊放方式，可以實(shí)現(xiàn)極高的強(qiáng)度，且其韌性較強(qiáng)，可以很好地傳導(dǎo)、分散各種應(yīng)力[9]。樹脂則是粘連纖維的主要材料。纖維纏繞壓力容器主要有比模量大、比強(qiáng)度高，重大危險(xiǎn)性低，方便制造，價(jià)格低廉，按需制造等優(yōu)勢(shì)。在壓力容器設(shè)計(jì)中，過去的復(fù)合材料選材主要高強(qiáng)型纖維 T1700、T800、T1000 等，現(xiàn)行主要的纖維多選用 F-12 纖維、RE14纖維，此類纖維通過纏繞，可以將張力保持在 150 N～200 N之間，PV/W 值為 37.02 km，纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化度為 73.26%，應(yīng)用領(lǐng)域多為航空航天等高應(yīng)力工況下。

2.3 功能梯度材料壓力容器

功能梯度材料是一種新型復(fù)合材料，主要應(yīng)用于高溫環(huán)境，其可以有效緩解材料內(nèi)部由于高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力，兼具高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，且可以提供靈活的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在已被眾多研究機(jī)構(gòu)研究用于航天器、核反應(yīng)和高溫化學(xué)反應(yīng)等。除了降低內(nèi)部熱應(yīng)力、避免裂紋等優(yōu)勢(shì)外，功能梯度材料還可以有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在連接界面上使用，可以減小應(yīng)力突變的幾率。同時(shí)其也兼具纖維材料設(shè)計(jì)靈活、易加工的特性。功能梯度材料壓力容器雖然現(xiàn)在還處于不斷的改進(jìn)研究之中，不如上述兩種復(fù)合材料壓力容器應(yīng)用普遍，但是其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)卻讓壓力容器得到了新的發(fā)展機(jī)會(huì)。功能梯度材料壓力容器可以按需制造成一種雙層殼體結(jié)構(gòu)，其具有各向異性的梯度結(jié)構(gòu)，中間的中空層起到保溫的作用，同時(shí)兼具耐腐蝕的性能，而容器外層可以根據(jù)外部受力情況使用不同的材料覆蓋，有效地降低成本，實(shí)現(xiàn)容器的輕量化設(shè)計(jì)。功能梯度材料于近十年才開始起步，行業(yè)內(nèi)主要研究的功能梯度壓力容器多采用熱塑性樹脂材料，其中以聚醚醚酮（PEEK）最為典型。PEEK 是一種特別堅(jiān)固的材料，有優(yōu)異的長期耐蠕變性，PEEK 與碳纖維之間有很好的粘合，用碳纖維增強(qiáng)的 PEEK 的力學(xué)性能和耐熱性都有明顯的提高。經(jīng)研究表明，經(jīng)過 1000 個(gè)（-150～200 ℃）熱循環(huán)后，PEEK 產(chǎn)生裂紋僅為 1個(gè)/ cm，而環(huán)氧樹脂則為 8 個(gè)/ cm，這表明 PEEK 的抗熱疲勞性能大大優(yōu)于環(huán)氧樹脂。這類功能梯度材料在國外已發(fā)展到應(yīng)用階段，但我國目前剛剛進(jìn)入研究的初級(jí)階段，要加快開發(fā)新型的熱塑性樹脂基的功能梯度材料。

結(jié)束語

復(fù)合壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要設(shè)備，傳統(tǒng)壓力容器大多以金屬和合金為主要材料制造而成，這類壓力容器在成本和重量居高不下的同時(shí)，還存在著應(yīng)力分布不均勻、耐腐蝕差、耐高溫性差的弊端，在國家大力提倡綠集約經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展的大背景下，采用新型復(fù)合材料改進(jìn)現(xiàn)行的壓力容器設(shè)計(jì)十分必要。

參考文獻(xiàn)：

[1]?張剛翼，齊磊. 國產(chǎn)碳纖維纏繞鋁內(nèi)襯氣瓶的纏繞設(shè)計(jì)及校核[J]. 纖維復(fù)合材料，2017，34（1）：11-14.

[2]?陳汝訓(xùn). 具有襯里的纖維纏繞壓力容器分析[J]. 固體火箭技術(shù)，1999，22（4）：54-56.

（作者身份證號(hào)碼：130105198103134814）