碳纤维在内外压力容器方面的优势

  近年来碳纤维容器以其良好的耐腐蚀、抗疲劳性能、重量轻等特点,备受工程技术界的青睐。碳纤维容器在各国已经成功地用于化工等产品的生产和储运,并取得了巨大的经济效益。以纤维缠绕法制造的碳纤维容器,是应用最广泛、最有前途的一种。因而缠绕的工艺参数和性能一直是该研究领域的热点问题。

  内压容器。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,如不锈钢外缠绕复合材料,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。美国SCI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。

  外压容器。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。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,如法国的海鳝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100米。

  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%~2%,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772mm,长约4000mm的复合材料贮舱,用于潜水仪器舱,该仪器舱采用48大丝束碳纤维增强环氧酸酐缠绕成型。

  江苏博实碳纤维科技有限公司研制的水下试险仪器舱部件,采用碳纤维缠绕成型,壳体缠绕后在-40℃/1hC和+60℃/1h间冷热循环,进行8MPa外压保压试验,壳体完好无损。

  复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用,必将随着复合材料技术的发展而发展。目前,复合材料压力容器正以独特的优势重量轻、结构效率高、失效形式安全、耐腐蚀性好),在飞机、潜艇、火箭等运载工具及医疗方面,得到广泛应用,在拓展复合材料压力容器应用范围的同时,应加强复合材料压力容器的基础研究,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。

 

  阅读延伸:《碳纤维缠绕张力对压力容器强度的影响