碳纤维在耐压容器上的应用发展

  碳纤维因具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、导电、传热等特性,而被广泛用于制作导弹、火箭、飞机和人造卫星结构件,以及密封、电磁屏蔽、土木建筑等军民用领域。随着近些年来碳纤维性价比的提高,以及复合材料成型制造技术的发展,碳纤维复合材料耐压容器在导弹发动机、卫星贮箱、交通运输(天然气瓶)、自救呼吸装置等方面的发展前景十分乐观。

  为了提高发动机的质量比需要采用高强、轻质的结构复合材料,发动机燃烧室材料曾经历了金属、玻璃纤维、有机纤维等阶段。随着发动机性能要求的提高及碳纤维性能、产量大幅度提高,碳纤维越来越多地用于固体发动机燃烧室材料,如美国的“三叉戟一2”导弹、侏儒导弹、“大力神一4”助推器、日本“M-5”、法国“阿里安一5”,特别是反导拦截导弹,为了满足高强度、高刚度要求,几乎都采用了碳纤维,如ERINT低空拦截弹、THAAD空空拦截弹、SM-3拦截弹等。

  工艺方法不同要求不同的树脂基体与之匹配,大量试验研究表明,不同的树脂体系缠绕制造的容器性能相差达35%以上,主要是树脂基体的断裂韧性、延伸率、弹性模量和拉伸强度等性能指标对容器性能有影响,通过大量试验,认为适合于压力容器缠绕的树脂应具有以下特点:(1)适当的拉伸强度、模量、延伸率;(2)与纤维有良好的结合力;(3)工艺性好,具有恰当的粘度、适用期,适于缠绕成型。

  按网格理论设计的发动机试验壳体虽然是一个平衡结构,但由于开口附近的纤维堆积、架空等缺陷及极孔金属件区域的应力集中,形成了该区域的结构薄弱区。碳纤维/环氧复合材料的模量比玻璃纤维、芳纶纤维复合材料大,而且对极孔金属件边缘的不连续性更敏感。实践证明,当碳纤维/环氧复合材料直径480mm试验壳体未进行封头补强时,水压爆破后的破坏部位绝大部分发生在金属件边缘,且封头破坏的壳体性能一般比筒身段破坏的低,所以对封头进行补强是解决上述问题的有效途径之一。

  在直径480mm壳体上,采用无纬带在金属件边缘进行铺层。即在壳体完成一个纵、环向循环后,在尺寸较大的后封头金属件边缘一定长度范围内铺一层0°或30°或45°的无纬带,粘贴完后再完成剩余的缠绕层。这样既保证了金属件边缘的加强层在缠绕层的中间,又可以使加强层和缠绕层粘结较好,整体性强。补强后壳体质量增加极少,却大大地改变了金属件边缘的应力状态,提高了壳体的性能。

  80年代末期至今,在碳纤维缠绕复合材料及工艺研究中,曾选用吉林炭素厂的3K碳纤维、日本HTA-P30碳纤维及T700、T800、T1000纤维,进行了NOL环、直径150mm、直径480mm压力容器等性能研究,通过测试发现T800(12K)、T1000(12K)纤维NOL环拉伸强度较低,由于NOL环采用GB1458-88制作试验件,大丝束纤维股纱粗,很难均匀排布在模具内,故而数据偏低。吉炭的纤维强度转化率较P30纤维高,但国产纤维表面状态、工艺性、质量稳定性都较差;日产碳纤维普遍表面光滑,收卷整齐,特别是T700(12K)纤维,性能比较突出,PV/W大于40km,纤维强度转化率达83%,这可能是T700纤维表面沟槽被浆料所覆盖,有利于T700纤维与树脂基体的粘结,纤维应力能够有效传递,使得压力容器性能得到提高。

碳纤维耐压容器

  碳纤维复合材料在承受内压容备中的应用各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器,一般是在内衬材料,如Al、TG、不锈钢外绕复合材料,目前这种金属内衬复合材料广泛用于航天器、汽车、军用飞机等方面。

  海洋的勘测开发、科学研究及水下武器装备都离不开潜水外压容器,尤其是大深度的潜水装备,对外压容器材料提出了更高的要求。由于碳纤维复合材料强度高、模量大、密度小、尺寸稳定性好、线膨胀系数低,另外,还具有优异的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂腐蚀特性,适用于做大深度的潜水外压容器,如法国的海蟾鱼雷壳体采用碳纤维复合材料,该鱼雷的最大潜水深度超过100m。

  目前最常用的潜水外压容器壳体材料是铝合金。据报道,采用碳纤维复合铝合金后壳体耐压强度提高9%~29%,这对于提高壳体的耐静水外压能力,增加潜水深度有明显效果。

  美国海军研究机构赞助研制了直径为77.2cm,长约400cm的复合材料贮舱,用于潜水仪器舱,该仪器舱采用48K大丝束碳纤维增强环氧/酸酐缠绕成型。

  陕西非金属材料工艺研究所研制的水下试验仪器舱部件,采用CF/GF混杂缠绕成型,壳体缠绕后在-40℃/1h+60℃/1h冷热循环,进行8MPa外压保压试验,壳体完好无损。

  随着碳纤维材料的加速发展,碳纤维复合材料在耐压容器上的应用领域越来越广,在拓展碳纤维复合材料耐压容器在航空、航天领域应用范围的同时,应加强碳纤维压力容器方面的基础研究,特别是对带内衬或无内衬压力容器的受力状态进行精确分析。在此基础上,针对性地改进复合材料成型工艺,使碳纤维复合材料与其连接的金属材料成为整体,达到最佳的性能指标。

 

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