海洋環(huán)境復(fù)合材料氣瓶技術(shù)研究

賀大鵬

摘 要：對(duì)使用環(huán)境為海洋條件下的復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行了試驗(yàn)研究。復(fù)合材料氣瓶具有工作壓力高、儲(chǔ)氣量大、重量輕、安全性好等特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有航空氣瓶的成熟經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)海洋環(huán)境下對(duì)復(fù)合材料氣瓶可能產(chǎn)生的不利影響，采用一系列針對(duì)性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：本研究的設(shè)計(jì)方法能夠有效保證復(fù)合材料氣瓶進(jìn)在海洋環(huán)境中的使用性能。

關(guān)鍵詞：氣瓶;海洋環(huán)境;高壓

1概述

針對(duì)氣瓶工作壓力高、安全性和可靠性要求高的特點(diǎn)，根據(jù)復(fù)合材料航空領(lǐng)域氣瓶的成熟經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)海洋環(huán)境下可能產(chǎn)生的不利影響，通過有針對(duì)性的驗(yàn)證試驗(yàn)，掌握主要影響因素及作用程度，制定防護(hù)措施，確定復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計(jì)方案。

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)首先保證氣瓶高壓工作的安全性。因?yàn)闅馄康妮d荷主要是由復(fù)合材料承擔(dān)的，故可以采用網(wǎng)格分析方法確定結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)。【1】其壽命由內(nèi)膽的受力狀態(tài)決定，故金屬內(nèi)膽與復(fù)合材料的協(xié)同受力是關(guān)鍵。通過可獲得的金屬材料和復(fù)合材料的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)，利用有限元分析技術(shù)，結(jié)合適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)，即可建立復(fù)合材料氣瓶壽命與材料性能的相關(guān)性，從而保證氣瓶的可靠性。

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶能夠有效減輕重量、工作壓力高并具有較高的安全性，在配套裝備的使用和維護(hù)過程中具有重要意義。

2研究?jī)?nèi)容

海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計(jì)主要包括氣瓶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防電化學(xué)腐蝕涂層設(shè)計(jì)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣瓶防海水腐蝕設(shè)計(jì)。

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于圓柱型結(jié)構(gòu)最容易實(shí)現(xiàn)性能因子的最大化，而且其空間利用率好，故本研究采用圓柱型結(jié)構(gòu)，氣瓶?jī)?nèi)膽采用航空氣瓶通用的金屬內(nèi)膽。海洋環(huán)境用復(fù)合材料氣瓶的特點(diǎn)決定了其不僅要達(dá)到航空成熟產(chǎn)品的技術(shù)要求，還要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮以下問題：

（1）復(fù)合材料氣瓶在使用過程中反復(fù)充壓、卸壓，會(huì)在復(fù)合材料纖維和樹脂的界面或樹脂基體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，長(zhǎng)期浸入海水時(shí)，海水有可能會(huì)從這些潛在通道滲入到復(fù)合材料和內(nèi)膽的界面處。此時(shí)金屬內(nèi)膽材料在海水中會(huì)發(fā)生腐蝕，比如均勻腐蝕、晶間腐蝕等。

（2）海水有可能在外壓作用下，通過復(fù)合材料與內(nèi)膽瓶嘴的結(jié)合處滲入到金屬內(nèi)膽與復(fù)合材料之間，侵蝕接觸面發(fā)生分層。

（3）金屬材料與碳纖維在有海水作為介質(zhì)時(shí)還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。

針對(duì)第一個(gè)問題，采取在承載的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層外增加耐海水涂層的設(shè)計(jì)，防止海水對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的滲入。為了便于耐海水涂層的施工，同時(shí)進(jìn)一步保護(hù)結(jié)構(gòu)層，在結(jié)構(gòu)層外設(shè)計(jì)了復(fù)合材料防護(hù)層。

針對(duì)第二個(gè)問題，采取在氣瓶接嘴端面增加防海水密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

針對(duì)第三個(gè)問題，采取在金屬內(nèi)膽和結(jié)構(gòu)層之間增加防電化學(xué)腐蝕涂層的設(shè)計(jì)。

海洋環(huán)境用高壓復(fù)合材料氣瓶最終的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2復(fù)合材料氣瓶防海水腐蝕技術(shù)

2.2.1金屬內(nèi)膽防海水腐蝕設(shè)計(jì)

本研究對(duì)6061鋁合金在海水中的腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用全浸試驗(yàn)（GB10124-88）和電化學(xué)試驗(yàn)方法，分別測(cè)量材料在試驗(yàn)介質(zhì)中的腐蝕失重、腐蝕形態(tài)，開路電位（自然腐蝕電位）、開路電位值隨時(shí)間的變化關(guān)系，陰、陽極化曲線等，研究腐蝕特點(diǎn)及其腐蝕電化學(xué)行為，為研究不同組合電偶對(duì)的腐蝕提供依據(jù)。

表1列出了不同實(shí)驗(yàn)條件下Al6061試樣在人工海水溶液中浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

注：未打磨指試樣表面保持原始加工狀態(tài);打磨指將試樣表面用金相水砂紙打磨最終至800#砂紙;打磨且通氣指表面打磨試樣試驗(yàn)過程中每隔30分鐘向試驗(yàn)溶液中連續(xù)通入空氣5分鐘。

圖2為鋁合金開路電位-時(shí)間變化關(guān)系曲線。在所測(cè)試的時(shí)間內(nèi)，鋁合金的開路電位由-0.795v上升到-0.735v，4500秒后逐漸下降然后在-0.775v—0.785v之間10 mv范圍內(nèi)波動(dòng)，形成一個(gè)較為穩(wěn)定的值。開路電位和時(shí)間關(guān)系曲線的變化，說明了鋁合金在腐蝕溶液中腐蝕—表面成膜—膜層破壞—又形成新膜而最終達(dá)到腐蝕穩(wěn)定的過程。

圖3為鋁合金極化曲線。下分支的陰極極化曲線和上分支的陽極極化曲線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)在Y軸上對(duì)應(yīng)的電位就是名義的自然腐蝕電位（即開路電位），該點(diǎn)在X上對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)為最小電流，即名義下的自然腐蝕狀態(tài)下的電流。可以看到，材料在人工海水中-0.45v—-0.76v這一電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出弱極化行為。

綜上所述，根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，本研究?jī)?nèi)膽的壁厚在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加一定的腐蝕裕度。另外，內(nèi)膽外壁（含端面）進(jìn)行陽極氧化處理，以形成致密保護(hù)膜。

2.2.2防電化學(xué)腐蝕涂層設(shè)計(jì)

本研究測(cè)試了T700碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鋁合金6061所組成的電偶對(duì)在人工海水溶液中的電偶腐蝕情況。

為考察不同表面狀態(tài)對(duì)電偶腐蝕的影響，電偶腐蝕用復(fù)合材料分兩種，其中一種（A）試樣表面封涂層，另一種（B）試樣則打磨至碳纖維裸露。

不同表面狀態(tài)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料T700與鋁合金偶對(duì)的電偶電流隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4、圖5所示。圖中各曲線的表示符號(hào)含義：

無——表示裸件;有——表示表面有涂層;

充氣——表示為裸件，并定時(shí)向溶液中充入空氣。

從圖4可以看出，向溶液中定時(shí)充入空氣，電偶電流大大增大，尤其是在實(shí)驗(yàn)剛開始階段，電流密度達(dá)到52μA/cm2，是無涂層條件下的60多倍，經(jīng)過4000多分鐘以后，電偶電流大幅度降低到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，到7000分鐘后，由于表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋的影響，有效反應(yīng)面積減小，同無涂層條件下電偶電流大小基本接近。圖5顯示不充氣條件下鋁合金與復(fù)合材料表面有、無涂層兩種情況下電偶電流變化趨勢(shì)。相比而言，要比充氣條件下小很多，而且變化趨勢(shì)基本一致。

圖6顯示了不同條件下復(fù)合材料/鋁電偶對(duì)電偶電位隨時(shí)間的變化關(guān)系。

復(fù)合材料表面有涂層時(shí)，電偶電位隨時(shí)間延長(zhǎng)下降幅度最大，經(jīng)過1500分鐘后電偶電位為-1.125V左右，而且趨勢(shì)很平坦，結(jié)合試樣表面看到形成了一層膜層，阻礙并減緩了鋁合金的進(jìn)一步腐蝕;充氣條件下，可以看到電偶電位維持在-0.725--0.825V之間一個(gè)對(duì)鋁合金來說較高的電位范圍內(nèi)，鋁合金表面較長(zhǎng)時(shí)間保持活化而腐蝕的狀態(tài)，表現(xiàn)為電偶電流較大的緣故。

綜上所述，在鋁合金內(nèi)膽和碳纖維增強(qiáng)層之間設(shè)計(jì)防電化學(xué)腐蝕涂層可提高產(chǎn)品的可靠性。防電化學(xué)腐蝕涂層應(yīng)具備以下特點(diǎn)：與金屬內(nèi)膽和結(jié)構(gòu)層選用的樹脂基體相容性好、附著力強(qiáng)，適用于涂刷施工工藝;凝膠狀態(tài)具有足夠的抗壓強(qiáng)度，能夠承受后續(xù)纖維纏繞張力帶來的壓應(yīng)力;與結(jié)構(gòu)層樹脂共固化。

2.2.3密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣瓶采用的密封型式為靜密封。由于氣瓶工作壓力高，錐螺紋連接安全性得不到保證，故采用直螺紋連接，需要在端面設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兩道橡膠圈密封結(jié)構(gòu)。第一道內(nèi)側(cè)密封結(jié)構(gòu)在金屬內(nèi)膽與金屬堵頭之間，其作用是密封氣體，第二道外側(cè)密封結(jié)構(gòu)在金屬與復(fù)合材料之間，作用是隔絕海水。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖7。

密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是端面密封槽的設(shè)計(jì)，要保證第一道內(nèi)側(cè)密封圈首先受到壓縮，同時(shí)要保證上緊螺紋后，第二道外側(cè)密封結(jié)構(gòu)正常工作。

2.2.4復(fù)合材料防海水腐蝕設(shè)計(jì)

通過制作復(fù)合材料板形件，切割成多組彎曲試樣，進(jìn)行海水全浸試驗(yàn)。然后測(cè)定力學(xué)性能來考核復(fù)合材料在海水腐蝕環(huán)境下的強(qiáng)度保留率。表2為試樣浸泡前后的彎曲性能對(duì)比。

試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料經(jīng)十個(gè)月的海水浸泡，其彎曲力學(xué)性能有小幅下降趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)耐海水涂層對(duì)包括結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在內(nèi)的氣瓶整體進(jìn)行保護(hù)。

為驗(yàn)證耐海水涂層對(duì)復(fù)合材料氣瓶防海水腐蝕的可靠性，進(jìn)行了氣瓶縮比件耐海水腐蝕試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)氣瓶間斷取出在日光下曝曬，然后放入水中升壓繼續(xù)浸泡。每隔一個(gè)月進(jìn)行200次海水中疲勞試驗(yàn)，分階段完成1000次疲勞試驗(yàn)，使試驗(yàn)氣瓶因反復(fù)膨脹和收縮產(chǎn)生缺陷，最大限度模擬氣瓶實(shí)際使用的動(dòng)態(tài)環(huán)境。對(duì)浸泡的氣瓶進(jìn)行的配合試驗(yàn)有海水中疲勞試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，耐海水涂層可有效保護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

3 結(jié)論

通過以上分析，該設(shè)計(jì)方法合理可行，通過此種設(shè)計(jì)生產(chǎn)的復(fù)合材料氣瓶除滿足航空領(lǐng)域氣瓶的技術(shù)要求外，還具有較好的耐壓防腐性能，重量輕，安全性高，能夠適應(yīng)海水環(huán)境的工作需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐君臣，銀建中纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶研究進(jìn)展[J].應(yīng)用科技2012，39（4），64-69.