碳纤维缠绕耐压容器在武器装备领域的应用

  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-2”导弹、侏儒导弹、“大力神-4”助推器、日本“M-5”、法国“阿里安-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ERNT低空拦截弹、THAAD空空拦截弹、 SM-3拦截弹等。

  各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器,一般是在内村材料,如Al、Ti、不锈钢外缠绕复合材料,目前这种金属内村复合材料广泛用于航天器、 汽车、军用飞机等方面。 美国SCI(Structural Composites Industriee)具有23年生产复合材料压力容器的经验,并且是薄壁铝合金/碳纤维缠绕压力容器的先驱。

  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,如法国的海蟮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。某研究所研制的水下试验仪器舱部件,采用C/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村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。

 

  阅读延伸:《碳纤维缠绕张力对压力容器强度的影响