復合材料壓力容器的研究與制備

吳偉萍 于柏峰 趙亮 周晏云

摘 要 本文介紹了復合材料壓力容器的研究進展，分析了影響壓力容器設計的主要參數，根據網格理論，結合纏繞角和鋪層順序的優化，設計制備了國產碳纖維復合材料壓力容器。試驗結果表明，壓力容器設計滿足技術要求，國產碳纖維在CFRP壓力容器上的應用是可行的。

關鍵詞 復合材料壓力容器；國產碳纖維；濕法纏繞

Research Progress and Preparation of

Composite Pressure Vessel

WU Weiping，YU Baifeng，ZHAO Liang，ZHOU Yanyun

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， the research progress of composite pressure vessel is introduced， and the main parameters affecting the design of pressure vessel are analyzed. According to the grid theory， combined with the optimization of winding angle and lamination order， a domestic carbon fiber composite pressure vessel is designed and manufactured. The test results show that the design of pressure vessel meets the technical requirements and the application of domestic carbon fiber in CFRP pressure vessel is feasible.

KEYWORDS composite pressure structure; domestic carbon fiber; wet winding

通訊作者：吳偉萍，女，碩士，教授級高工。研究方向為復合材料成型工藝。E-mail： pingfrp@126.com

1 引言

近年來，碳纖維作為一種高性能的材料，正以驚人的速度滲透到風電、航空航天、汽車工業、建筑行業等領域，被譽為21世紀的“新材料之王”。碳纖維的比重不到鋼的四分之一，其增強復合材料的抗拉強度比鋼高7～9倍，力學性能優異［1］。由碳纖維和樹脂基體結合形成的碳纖維增強復合材料（CFRP）具有高比強度、比模量、質量輕、耐腐蝕性好等優良性能［2］，是一種輕質高強的結構部件，廣泛應用于交通運輸、航天航空以及國防軍工等領域。近年來，在可持續發展政策的提出和現階段能源危機的背景下，低碳環保的理念逐漸深入人心。Atilhan 等［3］認為綠色氫氣是航運業一種很有前景的能源替代品，而氫氣一般采用高壓儲運，其主要儲運設備為壓力容器［4］。CFRP壓力容器以輕量化、耐疲勞、耐腐蝕、強度高等優點，大量應用在儲氣、儲能裝置領域。與傳統的全金屬壓力容器相比，CFRP壓力容器可設計性強的同時，質量更輕、承載力更強，能夠使用自動化纖維纏繞設備實現批量生產。目前，航天航空領域中，航天飛船及其系統的各種復合材料壓力容器已成為火箭發動機的液體儲存裝置和空間站宇航員的生命保證氣體供應系統。民用領域中，上世紀 90 年代以來，復合材料壓力容器已逐步成為民用壓力容器的主流產品，在加氫站已廣泛利用復合材料壓力容器進行高壓儲氫［5］。在“雙碳”政策驅動下，壓力容器市場增長迅速，東麗預測到2025年該領域碳纖維需求量將突破2萬噸，到2030年，全球壓力容器需求將超過8萬噸，增長趨勢強勁。纖維纏繞的研究起源于國外，

復合材料壓力容器的生產原材料碳纖維主要來自國外進口。國際上碳纖維的生產起步于20世紀60年代，經過五十余年的發展，生產工藝技術已經成熟。日、美等少數發達國家掌握了世界碳纖維的核心生產技術，尤其是新近開發的先進技術主要掌握在日本東麗、東邦帝人、三菱麗陽三大碳纖維生產企業中。近年來，受下游需求拉動，以及2018年以來中美貿易摩擦、科技戰、新冠疫情、俄烏沖突帶來的全球供應鏈危機的影響，我國不斷打破國外技術壟斷，涌現了吉林化纖、中復神鷹、寶旌、新創碳谷、恒神、光威復材等碳纖維生產企業，碳纖維產能規模不斷擴張，碳纖維市場國產替代趨勢明顯。本文介紹了碳纖維復合材料壓力容器的研究進展和特點，研究了復合材料壓力容器極限承載能力，根據網格理論，結合纏繞角和鋪層順序的優化，設計制備了國產碳纖維復合材料壓力容器，試驗結果表明，壓力容器設計滿足技術要求，國產碳纖維在CFRP壓力容器上的應用是可行的。

2 復合材料壓力容器研究進展

CFRP壓力容器主要通過纖維的纏繞工藝在內襯外表面纏繞碳纖維絲束帶，碳纖維復合材料層主要起承載作用［6］，內襯起到防止泄漏和腐蝕的作用，最后利用熱成型工藝形成一種高強度的薄壁容器。壓力容器根據材料和結構分為四種：以碳素鋼和合金鋼為主要材料的全金屬結構Ⅰ型壓力容器［7］；由金屬內膽和環向纏繞纖維層組成的Ⅱ型壓力容器［8］；由金屬內膽和外部全纏繞碳纖維層構成的Ⅲ型壓力容器［9］和由非金屬內襯和外部全纏繞碳纖維層構成的Ⅳ型壓力容器［10］。復合材料壓力容器大多為Ⅲ型、Ⅳ型，而非金屬內襯的質量更輕，且耐腐蝕、抗疲勞性能更好，多以橡膠、高密度聚氯乙烯及復合材料為內襯。復合材料壓力容器的成型制備研究、結構設計和纖維纏繞工藝研究是國內外學者共同關注的焦點。

Zhengyun Hu ［11］研究了不同鋪層設計對爆破壓力的影響，結果表明，數值模擬結果與實驗結果之間的誤差在10%以內，纖維纏繞鋪層因素占影響爆破壓力比重的15%；同時，環向纏繞層和螺旋纏繞層分離的纖維鋪層模型可以提高爆破壓力，螺旋纏繞層纏繞角從大到小分布也可以提高壓力容器整體的爆破壓力。Azeem等［12］對纖維纏繞技術在復合材料壓力容器上的應用和面臨的挑戰等進行了評析，指出在設計和制造纖維纏繞結構時，了解各種工藝參數和它們的綜合效應是非常重要的。Pranjali Sharma ［13］研究了Ⅲ型復合材料壓力容器，使用ANSYS軟件進行仿真，通過試驗測試類似的模型來驗證壓力容器由于爆裂而失效。Magneville［14］等人提出了用于模擬儲罐爆破行為的復合材料的熱力學行為定律，研究了70MPa高壓IV型儲氫容器的模擬和爆破實驗。Roh［15］等人針對Ⅳ型復合材料壓力容器進行了封頭補強設計，得出該技術可以使復合材料纏繞層的質量為補強前質量的90%，使螺旋纏繞層層數明顯減少。Son D S［16］等人通過理論及有限元研究，確定自緊力可以調節復合材料儲氣瓶整體結構的應力分布。Lei Zu［17］以非測地線繞線初始繞線角度和滑動系數為變量，研究了不同曲率半徑下非測地線纏繞結構對環形結構性能的影響。Zu等［18］對不同切點的非測地線纏繞方法進行模擬，確定合適的切點，纏繞示意如圖1所示，再利用三次樣條函數精確地預測了球殼的厚度分布。

王迪［19］等人研究了螺旋纏繞纖維在頭部極端孔的邊緣的堆疊問題，通過對極值抽取方法與帶寬擴孔法的對比，得出了在兩種不同擴孔方式下，纖維纏繞層的厚度在縱向上的分布規律。通過有限元分析得到最佳的擴孔方案是為擴大一個帶寬加一個半帶寬，該方案使纖維層厚度的極值降低了31.5%。柴森［20］等人通過施加自緊力，可以降低內襯應力最大值，同時可以提高復合材料纖維鋪層的利用率。陳汝訓［21］優化了網格理論設計方法，結果表明適當增加圓柱纏繞角度可以增強密封段的結構，降低壓力容器的質量增加量，并統籌容器爆破強度與封頭段增強，保證氣瓶的爆破模式處于安全模式。陳旦［22］通過Python語言編程完成纖維纏繞模型的參數化建模，采用truss單元模擬纏繞層、纖維逐層建模、層間接觸分析等技術，證實了干紗建模方法的可行性與準確性。

3 復合材料壓力容器設計流程

復合材料壓力容器是一種高強度薄壁容器，承受的內壓由內襯傳遞到纏繞層，內襯起儲存、阻隔和防止氣體滲漏的作用，纏繞層起承受絕大部分荷載的作用。內襯設計與復合材料結構層設計是復合材料壓力容器結構設計的兩個主要部分。內襯部分的設計有封頭段結構和金屬接口兩部分，復合材料層的設計有纖維層厚度、纖維纏繞角度和鋪層順序等［23］，設計流程如圖2所示。

4 復合材料壓力容器濕法纏繞成型工藝

纖維纏繞是制造復合材料部件最先進、自動化程度較高的方法之一［24］。Hopmann［25］等認為濕法纏繞工藝是制造壓力容器最常用的方法，濕法纏繞工藝根據芯模的形狀和產品設計要求，采用環向加螺旋纏繞混合的纏繞方式來制備壓力容器。濕法纏繞工藝本質上可以概括為3個步驟［26］：提供具有規定張力的連續纖維粗紗或布帶，用規定量的低黏性樹脂浸漬纖維；在芯模或內襯上按照一定線型規律進行纏繞；纏繞完成后在常溫或高溫下進行固化成型［27］，傳統濕法纏繞工藝示意如圖3所示。

在成型工藝上，主要參數有纖維浸膠量、纏繞張力、纏繞速度和線型選擇等，對每種工藝參數合理設置才能得到符合要求的纖維纏繞制品。壓力容器使用網格理論計算纏繞層結構參數。網格理論的關鍵在于假設忽略樹脂的作用，由纖維網絡結構承擔全部殼體內壓，從而使得纖維纏繞壓力容器設計更加簡單。但根據網格理論設計的纖維纏繞層，會在實際制造中產生封頭纖維堆積的問題，需要通過螺旋纏繞角度和纖維鋪層順序來優化纖維纏繞層厚度的分布和整體承載能力。

纖維纏繞在芯軸或內襯上的路徑決定了纖維在壓力容器上的取向，樹脂所受載荷和纖維張力影響纖維的體積含量，纏繞張力的合理控制可以充分發揮纖維性能和增大纖維應力。測地線軌跡纏繞線型的螺旋向纖維纏繞角α需要和測地線纏繞角的大小相等或接近。從封頭段結構的強度方面分析，如果螺旋纖維纏繞角過小，則會破壞等張力封頭其纖維受力的理想狀態；如果纏繞角過大，則會使環向纖維層數增多，進而使封頭段纏繞纖維出現堆疊、架空、滑移現象，不能發揮纖維的高強度。其次，纏繞線型在封頭接口處應減少纖維與極孔相切次數，以避免封頭部位出現纖維堆疊、架空現象，影響封頭段強度。頭部包角β通常選擇在160°～180°之間，以避免出現纏繞時纖維打滑的現象。

由纏繞層總厚度、纖維拉斷強度和柱段部分半徑影響壓力容器的極限承載能力。纏繞角度對復合材料壓力容器的性能影響較大，纏繞角的增加，對封頭強度的提升和殼體質量減少都有用。纏繞角越大，封頭越厚，重量越小。在滿足極孔切根纏繞和纖維不打滑的前提下，對纏繞機纏繞角進行調整或者增加極孔半徑，能得到強度高和質量輕的產品。

5 CFRP壓力容器制備

本文選用與東麗T700同等級別的國產碳纖維-拓展CCFT700S為增強材料，以環氧樹脂為基體材料，以氯化丁基橡膠為內襯制備國產碳纖維復合材料壓力容器。壓力容器的底座、接嘴和耳片采用金屬材料，芯模采用預制可溶性芯模，結構示意圖如圖4所示，制備的CFRP壓力容器為單極孔柱形結構，總長350 mm，外徑140 mm，重量不超過1.5 kg，爆破壓強≥ 60 MPa。

金屬接嘴和底座通過氯化丁基橡膠包覆粘接，固定在預制可溶性芯模上，形成完整內襯層。采用濕法纏繞成型工藝進行復合材料結構層成型，按照纏繞機電腦程序設定的線型，將浸膠纖維纏繞在內襯上，耳片和復合材料結構層一體成型。壓力容器柱段部分的主應力方向為環向和縱向，當纏繞纖維的方向為主應力方向時，纖維的高強性能可以得到充分發揮，因此在柱段部分增加環向纖維纏繞以滿足強度設計要求。纏繞結束后進行加壓固化成型，溶解可溶性芯模。制備工藝流程如圖5所示。

根據網格理論，結合纏繞角和鋪層順序的優化，設計縱向纏繞角為9°、11°、13°、15°和20°。縱向纏繞層厚度為1.7 mm，環向纏繞層厚度為2.3 mm，復合材料層總厚度為4.0 mm。用拓展CCFT700S進行濕法纏繞成型，纏繞張力控制在30 N±5 N。所制備的CFRP壓力容器重量為1.45 kg，容積為4.1 L。壓力容器的水檢檢測壓強為37.50～0.5 MPa，穩壓10 min無滲漏；氣密檢測壓強為30+0.5 MPa，5 min內無氣泡。將壓力容器充水至60 MPa壓力下保壓3 min，未破裂，滿足爆破壓力設計要求，繼續升壓至78 MPa時氣瓶在后封頭位置處爆破，極限承載能力為78 MPa。CFRP壓力容器設計滿足技術要求，并成功驗證了國產碳纖維-拓展CCFT700S在CFRP壓力容器上的應用可行性。

6 結語

復合材料壓力容器輕質高強、剛度高，能承受高壓氣體，易于攜帶。可根據工程設計軟件靈活設計纏繞程序，滿足對不同的功能需求和設計要求下的纖維纏繞角、鋪層厚度以及材料性能的參數優化，生產周期短。基體材料可以通過裂縫和其他形式的損傷吸收能量，纖維層局部失效不會導致其快速失效，安全性高。目前，我國與國外同等級別的碳纖維可以滿足復合材料壓力容器的設計指標要求，產業鏈原材料端更為健全。通過不斷優化改進現有的纖維纏繞工藝，細化和完善檢測標準，推動復合材料壓力容器成型工藝研究向著仿真與制造一體化、整瓶優化、高性能和低成本化方向發展，能夠加快中國能源結構優化、低碳化和可持續化，推動“碳中和”終極目標早日實現。

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