复合材料压力容器的研究与制备

吴伟萍 于柏峰 赵亮 周晏云

摘 要 本文介绍了复合材料压力容器的研究进展，分析了影响压力容器设计的主要参数，根据网格理论，结合缠绕角和铺层顺序的优化，设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器。试验结果表明，压力容器设计满足技术要求，国产碳纤维在CFRP压力容器上的应用是可行的。

关键词 复合材料压力容器；国产碳纤维；湿法缠绕

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

通讯作者：吴伟萍，女，硕士，教授级高工。研究方向为复合材料成型工艺。E-mail： pingfrp@126.com

1 引言

近年来，碳纤维作为一种高性能的材料，正以惊人的速度渗透到风电、航空航天、汽车工业、建筑行业等领域，被誉为21世纪的“新材料之王”。碳纤维的比重不到钢的四分之一，其增强复合材料的抗拉强度比钢高7～9倍，力学性能优异［1］。由碳纤维和树脂基体结合形成的碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高比强度、比模量、质量轻、耐腐蚀性好等优良性能［2］，是一种轻质高强的结构部件，广泛应用于交通运输、航天航空以及国防军工等领域。近年来，在可持续发展政策的提出和现阶段能源危机的背景下，低碳环保的理念逐渐深入人心。Atilhan 等［3］认为绿色氢气是航运业一种很有前景的能源替代品，而氢气一般采用高压储运，其主要储运设备为压力容器［4］。CFRP压力容器以轻量化、耐疲劳、耐腐蚀、强度高等优点，大量应用在储气、储能装置领域。与传统的全金属压力容器相比，CFRP压力容器可设计性强的同时，质量更轻、承载力更强，能够使用自动化纤维缠绕设备实现批量生产。目前，航天航空领域中，航天飞船及其系统的各种复合材料压力容器已成为火箭发动机的液体储存装置和空间站宇航员的生命保证气体供应系统。民用领域中，上世纪 90 年代以来，复合材料压力容器已逐步成为民用压力容器的主流产品，在加氢站已广泛利用复合材料压力容器进行高压储氢［5］。在“双碳”政策驱动下，压力容器市场增长迅速，东丽预测到2025年该领域碳纤维需求量将突破2万吨，到2030年，全球压力容器需求将超过8万吨，增长趋势强劲。纤维缠绕的研究起源于国外，

复合材料压力容器的生产原材料碳纤维主要来自国外进口。国际上碳纤维的生产起步于20世纪60年代，经过五十余年的发展，生产工艺技术已经成熟。日、美等少数发达国家掌握了世界碳纤维的核心生产技术，尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽、东邦帝人、三菱丽阳三大碳纤维生产企业中。近年来，受下游需求拉动，以及2018年以来中美贸易摩擦、科技战、新冠疫情、俄乌冲突带来的全球供应链危机的影响，我国不断打破国外技术垄断，涌现了吉林化纤、中复神鹰、宝旌、新创碳谷、恒神、光威复材等碳纤维生产企业，碳纤维产能规模不断扩张，碳纤维市场国产替代趋势明显。本文介绍了碳纤维复合材料压力容器的研究进展和特点，研究了复合材料压力容器极限承载能力，根据网格理论，结合缠绕角和铺层顺序的优化，设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器，试验结果表明，压力容器设计满足技术要求，国产碳纤维在CFRP压力容器上的应用是可行的。

2 復合材料压力容器研究进展

CFRP压力容器主要通过纤维的缠绕工艺在内衬外表面缠绕碳纤维丝束带，碳纤维复合材料层主要起承载作用［6］，内衬起到防止泄漏和腐蚀的作用，最后利用热成型工艺形成一种高强度的薄壁容器。压力容器根据材料和结构分为四种：以碳素钢和合金钢为主要材料的全金属结构Ⅰ型压力容器［7］；由金属内胆和环向缠绕纤维层组成的Ⅱ型压力容器［8］；由金属内胆和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅲ型压力容器［9］和由非金属内衬和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅳ型压力容器［10］。复合材料压力容器大多为Ⅲ型、Ⅳ型，而非金属内衬的质量更轻，且耐腐蚀、抗疲劳性能更好，多以橡胶、高密度聚氯乙烯及复合材料为内衬。复合材料压力容器的成型制备研究、结构设计和纤维缠绕工艺研究是国内外学者共同关注的焦点。

Zhengyun Hu ［11］研究了不同铺层设计对爆破压力的影响，结果表明，数值模拟结果与实验结果之间的误差在10%以内，纤维缠绕铺层因素占影响爆破压力比重的15%；同时，环向缠绕层和螺旋缠绕层分离的纤维铺层模型可以提高爆破压力，螺旋缠绕层缠绕角从大到小分布也可以提高压力容器整体的爆破压力。Azeem等［12］对纤维缠绕技术在复合材料压力容器上的应用和面临的挑战等进行了评析，指出在设计和制造纤维缠绕结构时，了解各种工艺参数和它们的综合效应是非常重要的。Pranjali Sharma ［13］研究了Ⅲ型复合材料压力容器，使用ANSYS软件进行仿真，通过试验测试类似的模型来验证压力容器由于爆裂而失效。Magneville［14］等人提出了用于模拟储罐爆破行为的复合材料的热力学行为定律，研究了70MPa高压IV型储氢容器的模拟和爆破实验。Roh［15］等人针对Ⅳ型复合材料压力容器进行了封头补强设计，得出该技术可以使复合材料缠绕层的质量为补强前质量的90%，使螺旋缠绕层层数明显减少。Son D S［16］等人通过理论及有限元研究，确定自紧力可以调节复合材料储气瓶整体结构的应力分布。Lei Zu［17］以非测地线绕线初始绕线角度和滑动系数为变量，研究了不同曲率半径下非测地线缠绕结构对环形结构性能的影响。Zu等［18］对不同切点的非测地线缠绕方法进行模拟，确定合适的切点，缠绕示意如图1所示，再利用三次样条函数精确地预测了球壳的厚度分布。

王迪［19］等人研究了螺旋缠绕纤维在头部极端孔的边缘的堆叠问题，通过对极值抽取方法与带宽扩孔法的对比，得出了在两种不同扩孔方式下，纤维缠绕层的厚度在纵向上的分布规律。通过有限元分析得到最佳的扩孔方案是为扩大一个带宽加一个半带宽，该方案使纤维层厚度的极值降低了31.5%。柴森［20］等人通过施加自紧力，可以降低内衬应力最大值，同时可以提高复合材料纤维铺层的利用率。陈汝训［21］优化了网格理论设计方法，结果表明适当增加圆柱缠绕角度可以增强密封段的结构，降低压力容器的质量增加量，并统筹容器爆破强度与封头段增强，保证气瓶的爆破模式处于安全模式。陈旦［22］通过Python语言编程完成纤维缠绕模型的参数化建模，采用truss单元模拟缠绕层、纤维逐层建模、层间接触分析等技术，证实了干纱建模方法的可行性与准确性。

3 复合材料压力容器设计流程

复合材料压力容器是一种高强度薄壁容器，承受的内压由内衬传递到缠绕层，内衬起储存、阻隔和防止气体渗漏的作用，缠绕层起承受绝大部分荷载的作用。内衬设计与复合材料结构层设计是复合材料压力容器结构设计的两个主要部分。内衬部分的设计有封头段结构和金属接口两部分，复合材料层的设计有纤维层厚度、纤维缠绕角度和铺层顺序等［23］，设计流程如图2所示。

4 复合材料压力容器湿法缠绕成型工艺

纤维缠绕是制造复合材料部件最先进、自动化程度较高的方法之一［24］。Hopmann［25］等认为湿法缠绕工艺是制造压力容器最常用的方法，湿法缠绕工艺根据芯模的形状和产品设计要求，采用环向加螺旋缠绕混合的缠绕方式来制备压力容器。湿法缠绕工艺本质上可以概括为3个步骤［26］：提供具有规定张力的连续纤维粗纱或布带，用规定量的低黏性树脂浸渍纤维；在芯模或内衬上按照一定线型规律进行缠绕；缠绕完成后在常温或高温下进行固化成型［27］，传统湿法缠绕工艺示意如图3所示。

在成型工艺上，主要参数有纤维浸胶量、缠绕张力、缠绕速度和线型选择等，对每种工艺参数合理设置才能得到符合要求的纤维缠绕制品。压力容器使用网格理论计算缠绕层结构参数。网格理论的关键在于假设忽略树脂的作用，由纤维网络结构承担全部壳体内压，从而使得纤维缠绕压力容器设计更加简单。但根据网格理论设计的纤维缠绕层，会在实际制造中产生封头纤维堆积的问题，需要通过螺旋缠绕角度和纤维铺层顺序来优化纤维缠绕层厚度的分布和整体承载能力。

纤维缠绕在芯轴或内衬上的路径决定了纤维在压力容器上的取向，树脂所受载荷和纤维张力影响纤维的体积含量，缠绕张力的合理控制可以充分发挥纤维性能和增大纤维应力。测地线轨迹缠绕线型的螺旋向纤维缠绕角α需要和测地线缠绕角的大小相等或接近。从封头段结构的强度方面分析，如果螺旋纤维缠绕角过小，则会破坏等张力封头其纤维受力的理想状态；如果缠绕角过大，则会使环向纤维层数增多，进而使封头段缠绕纤维出现堆叠、架空、滑移现象，不能发挥纤维的高强度。其次，缠绕线型在封头接口处应减少纤维与极孔相切次数，以避免封头部位出现纤维堆叠、架空现象，影响封头段强度。头部包角β通常选择在160°～180°之间，以避免出现缠绕时纤维打滑的现象。

由缠绕层总厚度、纤维拉断强度和柱段部分半径影响压力容器的极限承载能力。缠绕角度对复合材料压力容器的性能影响较大，缠绕角的增加，对封头强度的提升和壳体质量减少都有用。缠绕角越大，封头越厚，重量越小。在满足极孔切根缠绕和纤维不打滑的前提下，对缠绕机缠绕角进行调整或者增加极孔半径，能得到强度高和质量轻的产品。

5 CFRP压力容器制备

本文选用与东丽T700同等级别的国产碳纤维-拓展CCFT700S为增强材料，以环氧树脂为基体材料，以氯化丁基橡胶为内衬制备国产碳纤维复合材料压力容器。压力容器的底座、接嘴和耳片采用金属材料，芯模采用预制可溶性芯模，结构示意图如图4所示，制备的CFRP压力容器为单极孔柱形结构，总长350 mm，外径140 mm，重量不超过1.5 kg，爆破压强≥ 60 MPa。

金属接嘴和底座通过氯化丁基橡胶包覆粘接，固定在预制可溶性芯模上，形成完整内衬层。采用湿法缠绕成型工艺进行复合材料结构层成型，按照缠绕机电脑程序设定的线型，将浸胶纤维缠绕在内衬上，耳片和复合材料结构层一体成型。压力容器柱段部分的主应力方向为环向和纵向，当缠绕纤维的方向为主应力方向时，纤维的高强性能可以得到充分发挥，因此在柱段部分增加环向纤维缠绕以满足强度设计要求。缠绕结束后进行加压固化成型，溶解可溶性芯模。制备工艺流程如图5所示。

根据网格理论，结合缠绕角和铺层顺序的优化，设计纵向缠绕角为9°、11°、13°、15°和20°。纵向缠绕层厚度为1.7 mm，环向缠绕层厚度为2.3 mm，复合材料层总厚度为4.0 mm。用拓展CCFT700S进行湿法缠绕成型，缠绕张力控制在30 N±5 N。所制备的CFRP压力容器重量为1.45 kg，容积为4.1 L。压力容器的水检检测压强为37.50～0.5 MPa，稳压10 min无渗漏；气密检测压强为30+0.5 MPa，5 min内无气泡。将压力容器充水至60 MPa压力下保压3 min，未破裂，满足爆破压力设计要求，继续升压至78 MPa時气瓶在后封头位置处爆破，极限承载能力为78 MPa。CFRP压力容器设计满足技术要求，并成功验证了国产碳纤维-拓展CCFT700S在CFRP压力容器上的应用可行性。

6 结语

复合材料压力容器轻质高强、刚度高，能承受高压气体，易于携带。可根据工程设计软件灵活设计缠绕程序，满足对不同的功能需求和设计要求下的纤维缠绕角、铺层厚度以及材料性能的参数优化，生产周期短。基体材料可以通过裂缝和其他形式的损伤吸收能量，纤维层局部失效不会导致其快速失效，安全性高。目前，我国与国外同等级别的碳纤维可以满足复合材料压力容器的设计指标要求，产业链原材料端更为健全。通过不断优化改进现有的纤维缠绕工艺，细化和完善检测标准，推动复合材料压力容器成型工艺研究向着仿真与制造一体化、整瓶优化、高性能和低成本化方向发展，能够加快中国能源结构优化、低碳化和可持续化，推动“碳中和”终极目标早日实现。

參 考 文 献

［1］白文怡， 廖英强， 刘勇琼，等. 碳纤维复合材料缠绕气瓶优化研究进展［J］.炭素， 2020（01）：36-41.

［2］沈功田. 金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用［J］.中国特种设备 安全， 2016，32（07）：1-5.

［3］ATILHAN S，PARK S，EL-HALWAGI M M，et al. Green hydrogen as an alternative fuel for the shipping industry［J］. Current Opinion in Chemical Engineering ， 2021，31 100668.

［4］LI Jun， BO Ke， HUANG Oianghua， et al. Development trend and challenges of high pressure hydrogen transportable pressure vessel ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica， 2022，43（3）：20-26.

［5］郑津洋，马凯，周伟明，等.加氢站用高压储氢容器 ［J］.压力容器， 2018，35（9）：9.

［6］白文怡， 廖英强， 刘勇琼， 等. 碳纤维复合材料缠绕气瓶优化研究进展［J］.炭素，2020（01）：36-41.

［7］沈功田. 金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用［J］. 中国特种设备 安全， 2016，32（07）：1-5.

［8］柴森. CNG 环向缠绕气瓶纤维应力比研究［D］. 辽宁： 大连理工大学， 2015：2-8.

［9］Wang L， Zheng C， Luo H， et al. Continuum damage modeling and progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite pressure vessel［J］. Composite Structures，2015，134：476.

［10］Barboza Neto E S， Chludzinski M， Roese P B， et al. Experimental and numerical analysis of a LLDPE/HDPE liner for a composite pressure vessel［J］. Polymer Testing， 2011，30（6）：693-700.

［11］Hu Z， Chen M， Zu L， Jia X， Shen A， Yang O， Xu K. Investigation on failure behaviors of 70 MPa Type IV carbon fiber overwound hydrogen storage vessels ［J］. CompositeStructures，2021.259：113387.

［12］AZEEM M，YA H H，ALAM M A， et al. Application of filament winding technology in composite pressure vessels and challenges： A review ［J］. Journal of Energy Storage， I2022，49：103468.

［13］Sharma P， Bera T， Semwal K， Badhe R M， Sharma A， Ramakumar S S V， Neogi S. Theoretical analysis of design of filament wound type 3 composite cylinder for the storage of compressed hydrogen gas ［J］. International Journal of Hydrogen Energy 2020，45（46）： 25386-25397.

［14］Magneville B， Gentilleau B， Villalonga S， Nony F， Galiano H. Modeling， parameters identification and experimental validation of composite materials behavior law used in700 bar type IV hydrogen high pressure storage vessel ［J］ . International Journal of Hydrogen Energy， 2015，40（38）： 13193-13205.

［15］Roh H S， Hua T O， Ahluwalia R K JIJ O H E. Optimization of carbon fiber usage inIype 4 hydrogen storage tanks for fuel cell automobiles ［J］. 2013， 38（29）： 12795.12802.

［16］Son D S， Hong J H， Chang S H JIJ O H E. Determination of retagged pressure and estimation of material failures of a Type Ill hydrogen pressure vessel by using finite element analysis ［J］ . 2012，37（17）：12771-12781.

［17］Zu L， Koussios S， Beukers A. Design of filament-wound circular toroidal hydrogen storage vessels based on non-geodesic fiber trajectories ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2010，35（2）： 660-670.

［18］ZU L，ZHANG D H，XU Y O， etal. Integral design and simulation of composite toroidal hydrogen storage tanks［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2012，37（1）：1027-1036.

［19］王迪.不同纏绕工艺下复合材料气瓶力学性能研究［D］.大连理工大学，2017.

［20］柴森.CNG环向缠绕气瓶纤维应力比研究［D］.大连理工大学，2015.

［21］陈汝训.纤维缠绕壳体的应力平衡系数和圆筒缠绕角［J］.固体火箭技术，2009.32（6）： 677-679.

［22］陈旦，祖磊，许家忠.基于 ABAQUS 的干纤维缠绕新型压力容器的设计与力学分析［C］.第三届中国国际复合材料科技大会.

［23］BOON Y D.JOSHI S C、BHUDOLIA S K. Review ：Filament winding and automated fiber placement with insitu consolidation for fiber reinforced thermoplastic polymer composites［J］.Polymers，2021，13 （12）：1951.

［24］柯华.查志伟，郑唬.V型储氢瓶用复合材料及制备工艺［J］.纤维复合材料，2022，39（1）：15-21.

［25］HOPMANN C，MAGURA N，MUELLER R， et al. Impact of winding parameters on the fiber bandwidth in the cylindrical area of a hydrogen pressure vessel for generating a digital twin［J］. Polymer Composites，202243（3）：1577-1589.

［26］HOPMANN C、MAGURA NLOPEZ N R，etal. Detection and evaluation of the fibers' deposition parameters during wet filament winding［J］. Polymer Engineering and Science， 2021，61（5）：1353-136.

［27］PANDITA S D，IRFAN M S、MACHAVARAM V R，etal. Clean wet-filament winding-Part 1： design concept and simulations ［J］. Journal of Composite Materials， 2013，47（3）：379-390.