浅谈碳纤维复合材料压力容器的发展

迟晓斌 张达

摘要：近些年来随着工业生产流程的复杂化，使得其对机械设备的要求越来越高，而作为广泛应用于工业领域的压力容器，也在这种趋势下得到了发展，在此背景下碳纤维复合材料压力容器被开发出来。本文主要对碳纤维复合材料压力容器的发展进行了阐述，首先对碳纤维复合材料压力容器进行了简要的介绍，然后分别对三个主要发展方向进行了阐述，最后展望了碳纤维复合材料压力容器的未来发展趋势。

关键词：复合材料;压力容器;结构设计;性能优化

随着生产工艺要求的不断提高，传统压力容器已经逐渐无法满足生产所需。在这种背景下碳纤维复合材料压力容器被开发出来，并且逐渐得到了越来越多的关注，为此本文对碳纤维复合材料压力容器的发展进行了阐述。

一、碳纤维及其复合材料概述

所谓的复合材料是由两种或者是若干种不同性质材料复合而成的一种材料，同时在复合材料当中，每一个组分的材料都是单独存在的，并没有进行化学反应，可是复合材料的性质却和各个组分的性质不同。对于碳纤维复合材料而言，其是一种增强相和基体材料制造而成的复合材料，比较有代表性的就是碳纤维/环氧树脂，这种材料的主要特点就是强度高、密度低，并且耐腐蚀性强，因此目前在复合材料压力容器的制造流程中得到了广泛的运用。

二、碳纤维复合材料压力容器概述

对于碳纤维复合材料压力容器而言，其结构包括碳纤维复合材料层以及内衬层。对于内衬层而言，作用就是防漏、防腐蚀，对于碳纤维复合材料层而言，作用就是承载外界压力，复合材料层是通过基地和碳纤维构成的，基体能够进行载荷的传递，并且对碳纤维材料进行保护，而对于碳纤维而言，属于增强相。把碳纤维浸在树脂胶液中再拿出，然后再根据特定规律将其在内衬上进行缠绕，再进行固化和自紧，这样就能够制造出碳纤维复合材料压力容器。在上个世纪八十年代，碳纤维复合材料压力容器得到了快速的发展，逐渐还是得到运用，目前主要在航空航天、医疗器械以及新能源汽车等领域中进行应用。

三、近几年碳纤维复合材料压力容器的发展

近些年来随着复合材料压力容器的逐步应用，相关制造标准也在逐步完善，这些标准的制定对复合材料压力容器的发展起到了推动作用，现阶段复合材料压力容器的发展主要体现在下面这三个方向上。

（一）容器结构设计方面的发展

当前复合材料压力容器在制造过程中成本较高、制造周期较，并且产品力学性能较差，想要克服这些问题，那么一定要针对容器实施相应的结构设计。我国学者陈小平研究了目前市场占有率较低的高强中模T800，并且使用了一种干法缠绕成型工艺，通过这种工艺得到了直径大小不同的T800碳纤维全缠绕复合材料压力容器，有效的推动了这种复合材料压力容器的发展。

对于碳纤维缠绕层而言，在压力容器当中，是对外界压力进行承载的主要结构，因此对压力容器的可靠性和安全性有着直接影响，所以碳纤维缠绕层的设计非常的重要，主要包括缠绕张力的设计、缠绕角度的设计以及纤维层厚度的设计。国外的一名学者Arhant对缠绕角度进行了研究，分析了其如何影响压力容器的受力，最终得到最佳的纤维缠绕角度在51度左右，这些数据的获得有效推动了复合材料压力容器制造工艺的发展。

（二）性能优化方面的发展

随着工业生产流程复杂度的不断提升，对压力容器的要求也越来越高，这大大推动了复合材料压力容器性能方面的发展，因此性能优化方面的研究也是越来越多，性能优化就是基于当前的国家标准，进行优化模型的构建，通过科学方法优化模型函数，这样就能够使得材料的性能发挥出来，从而使得压力容器的性能得到提升，同时压力容器的质量也会得到减轻。

阻碍复合材料压力容器经济性发展的主要原因就是复合材料压力容器质量重、复合层厚，为了解决这一问题，使得复合材料压力容器经济性得到提升。我国学者陈潇洒针对碳纤维复合材料气瓶设备进行了研究，所使用的是一种两步成型工艺，并且在实验阶段使用有限元分析法进行了数据分析，最终研发出来的复合材料气瓶，相比于传统氣瓶而言，具有更小的缠绕层应力以及自紧压力，使得气瓶的使用年限得到了延长，同时还有效的降低了铝合金内衬的材料使用量，使得设备经济性得到大幅度提升。

（三）设备损伤检测方面的发展

对于复合材料压力容器而言，其和传统压力容器一样在长周期运行过程中都会出现损伤，主要包括基体的变形、内衬的失效以及纤维断裂等情况。一旦压力容器出现了内部损伤，那么就会存在着不安全问题，对生产会造成很大威胁，所以近些年来复合材料压力容器的损伤检测技术得到了发展。

国外学者Gasior研究了复合材料气瓶的损伤检测，其通过布拉格光纤光栅并利用一定的图像处理技术对层离以及缺口等设备结构缺陷进行了检测，通过图像处理技术能够有助于检测器进行位置确定，通过布拉格光纤能够对应力分析进行检测，两者结合就能够有效的将设备损伤检测出来，目前这种技术已经在复合材料压力容器损伤检测中进行使用。

四、碳纤维复合材料压力容器的未来发展趋势

随着技术的持续发展，碳纤维复合材料压力容器的使用会越来越广泛，相关的技术也会越来越成熟。但是就目前形势而言，还是存在着很多的缺陷，根据当前的现状能够看得出来，未来碳纤维复合材料压力容器的发展主要体现在以下这几个方面：

（1）对于碳纤维复合材料而言，其具有较为复杂的物理特性和化学特性，不论是使用年限还是内部损伤都难以进行准确的判断，因此为了提升材料的性能，未来碳纤维复合材料使用年限评估以及损伤检测等技术会继续发展。

（2）现阶段复合材料压力容器出现失效的核心原因就是缠绕层和内衬层之间出现了分离，所以复合材料压力容器的一个发展方向就是提高缠绕层和内衬层之间的接触技术，从而提高复合材料的安全性能。

（3）虽然复合材料压力容器的质量已经很轻，使用年限已经很长，但是随着工业流程的复杂化发展，复合材料压力容器的这两个优势还要继续发展。

参考文献：

[1]陈小平，王喜占.T800碳纤维在复合材料压力容器上的应用研究[J].高科技纤维与应用，2017，42（03）：45-49.

[2]陈潇洒.铝内胆碳纤维全缠绕高压气瓶的轻量化与长寿命技术研究[D].南京航空航天大学，2017.