淺談碳纖維復合材料壓力容器的發展

遲曉斌 張達

摘要：近些年來隨著工業生產流程的復雜化，使得其對機械設備的要求越來越高，而作為廣泛應用于工業領域的壓力容器，也在這種趨勢下得到了發展，在此背景下碳纖維復合材料壓力容器被開發出來。本文主要對碳纖維復合材料壓力容器的發展進行了闡述，首先對碳纖維復合材料壓力容器進行了簡要的介紹，然后分別對三個主要發展方向進行了闡述，最后展望了碳纖維復合材料壓力容器的未來發展趨勢。

關鍵詞：復合材料;壓力容器;結構設計;性能優化

隨著生產工藝要求的不斷提高，傳統壓力容器已經逐漸無法滿足生產所需。在這種背景下碳纖維復合材料壓力容器被開發出來，并且逐漸得到了越來越多的關注，為此本文對碳纖維復合材料壓力容器的發展進行了闡述。

一、碳纖維及其復合材料概述

所謂的復合材料是由兩種或者是若干種不同性質材料復合而成的一種材料，同時在復合材料當中，每一個組分的材料都是單獨存在的，并沒有進行化學反應，可是復合材料的性質卻和各個組分的性質不同。對于碳纖維復合材料而言，其是一種增強相和基體材料制造而成的復合材料，比較有代表性的就是碳纖維/環氧樹脂，這種材料的主要特點就是強度高、密度低，并且耐腐蝕性強，因此目前在復合材料壓力容器的制造流程中得到了廣泛的運用。

二、碳纖維復合材料壓力容器概述

對于碳纖維復合材料壓力容器而言，其結構包括碳纖維復合材料層以及內襯層。對于內襯層而言，作用就是防漏、防腐蝕，對于碳纖維復合材料層而言，作用就是承載外界壓力，復合材料層是通過基地和碳纖維構成的，基體能夠進行載荷的傳遞，并且對碳纖維材料進行保護，而對于碳纖維而言，屬于增強相。把碳纖維浸在樹脂膠液中再拿出，然后再根據特定規律將其在內襯上進行纏繞，再進行固化和自緊，這樣就能夠制造出碳纖維復合材料壓力容器。在上個世紀八十年代，碳纖維復合材料壓力容器得到了快速的發展，逐漸還是得到運用，目前主要在航空航天、醫療器械以及新能源汽車等領域中進行應用。

三、近幾年碳纖維復合材料壓力容器的發展

近些年來隨著復合材料壓力容器的逐步應用，相關制造標準也在逐步完善，這些標準的制定對復合材料壓力容器的發展起到了推動作用，現階段復合材料壓力容器的發展主要體現在下面這三個方向上。

（一）容器結構設計方面的發展

當前復合材料壓力容器在制造過程中成本較高、制造周期較，并且產品力學性能較差，想要克服這些問題，那么一定要針對容器實施相應的結構設計。我國學者陳小平研究了目前市場占有率較低的高強中模T800，并且使用了一種干法纏繞成型工藝，通過這種工藝得到了直徑大小不同的T800碳纖維全纏繞復合材料壓力容器，有效的推動了這種復合材料壓力容器的發展。

對于碳纖維纏繞層而言，在壓力容器當中，是對外界壓力進行承載的主要結構，因此對壓力容器的可靠性和安全性有著直接影響，所以碳纖維纏繞層的設計非常的重要，主要包括纏繞張力的設計、纏繞角度的設計以及纖維層厚度的設計。國外的一名學者Arhant對纏繞角度進行了研究，分析了其如何影響壓力容器的受力，最終得到最佳的纖維纏繞角度在51度左右，這些數據的獲得有效推動了復合材料壓力容器制造工藝的發展。

（二）性能優化方面的發展

隨著工業生產流程復雜度的不斷提升，對壓力容器的要求也越來越高，這大大推動了復合材料壓力容器性能方面的發展，因此性能優化方面的研究也是越來越多，性能優化就是基于當前的國家標準，進行優化模型的構建，通過科學方法優化模型函數，這樣就能夠使得材料的性能發揮出來，從而使得壓力容器的性能得到提升，同時壓力容器的質量也會得到減輕。

阻礙復合材料壓力容器經濟性發展的主要原因就是復合材料壓力容器質量重、復合層厚，為了解決這一問題，使得復合材料壓力容器經濟性得到提升。我國學者陳瀟灑針對碳纖維復合材料氣瓶設備進行了研究，所使用的是一種兩步成型工藝，并且在實驗階段使用有限元分析法進行了數據分析，最終研發出來的復合材料氣瓶，相比于傳統氣瓶而言，具有更小的纏繞層應力以及自緊壓力，使得氣瓶的使用年限得到了延長，同時還有效的降低了鋁合金內襯的材料使用量，使得設備經濟性得到大幅度提升。

（三）設備損傷檢測方面的發展

對于復合材料壓力容器而言，其和傳統壓力容器一樣在長周期運行過程中都會出現損傷，主要包括基體的變形、內襯的失效以及纖維斷裂等情況。一旦壓力容器出現了內部損傷，那么就會存在著不安全問題，對生產會造成很大威脅，所以近些年來復合材料壓力容器的損傷檢測技術得到了發展。

國外學者Gasior研究了復合材料氣瓶的損傷檢測，其通過布拉格光纖光柵并利用一定的圖像處理技術對層離以及缺口等設備結構缺陷進行了檢測，通過圖像處理技術能夠有助于檢測器進行位置確定，通過布拉格光纖能夠對應力分析進行檢測，兩者結合就能夠有效的將設備損傷檢測出來，目前這種技術已經在復合材料壓力容器損傷檢測中進行使用。

四、碳纖維復合材料壓力容器的未來發展趨勢

隨著技術的持續發展，碳纖維復合材料壓力容器的使用會越來越廣泛，相關的技術也會越來越成熟。但是就目前形勢而言，還是存在著很多的缺陷，根據當前的現狀能夠看得出來，未來碳纖維復合材料壓力容器的發展主要體現在以下這幾個方面：

（1）對于碳纖維復合材料而言，其具有較為復雜的物理特性和化學特性，不論是使用年限還是內部損傷都難以進行準確的判斷，因此為了提升材料的性能，未來碳纖維復合材料使用年限評估以及損傷檢測等技術會繼續發展。

（2）現階段復合材料壓力容器出現失效的核心原因就是纏繞層和內襯層之間出現了分離，所以復合材料壓力容器的一個發展方向就是提高纏繞層和內襯層之間的接觸技術，從而提高復合材料的安全性能。

（3）雖然復合材料壓力容器的質量已經很輕，使用年限已經很長，但是隨著工業流程的復雜化發展，復合材料壓力容器的這兩個優勢還要繼續發展。

參考文獻：

[1]陳小平，王喜占.T800碳纖維在復合材料壓力容器上的應用研究[J].高科技纖維與應用，2017，42（03）：45-49.

[2]陳瀟灑.鋁內膽碳纖維全纏繞高壓氣瓶的輕量化與長壽命技術研究[D].南京航空航天大學，2017.