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碳纖維復合材料壓力容器的研究進展
時間:2020年01月13日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

  壓力容器(pressure vessel)是現代工業中不可缺少的重要設備,主要應用于化學反應、物質分離、氣體存儲與運輸等生產工藝過程。傳統的壓力容器多是以金屬或合金為容器壁制造, 成本和質量較高,結構也比較簡單,存在應力分布不均勻、高溫與高壓耐受性差、耐腐蝕性差等缺陷,難以滿足某些特殊工況對壓力容器的要求,限制了其在實際生產過程中的應用。因此,以碳纖維復合材料壓力容器( carbon fiber composite pressure vessels)為代表的新型復合材料壓力容器受到了廣泛關注。
  碳纖維復合材料壓力容器具有安全可靠性高、使用壽命長、承壓能力大等特點,在航空航天、醫療、新能源汽車等領域的應用前景較為廣闊。近年來, 科研人員圍繞碳纖維復合材料壓力容器的結構設計、性能優化、損傷及檢測等方面進行了大量的理論與試驗研究。本文中首先簡單闡述了碳纖維及其復合材料,然后介紹碳纖維復合材料壓力容器,重點總結和討論了碳纖維復合材料壓力容器的最新研究概況,最后對研究前景進行了展望。 
1 碳纖維及其復合材料

  碳纖維是通過沿軸向堆砌的有機纖維碳化及石墨化獲得的類石墨聚合物材料。碳纖維的基本結構單元是六角網平面,平面內為由 sp2 雜化碳原子形成的強共價鍵,而在軸向上具有一定的有序性,然而,各晶面層間相互扭曲,層間的分子作用力較弱。這些結構特點使得碳纖維具有以下特性:拉伸強度和拉伸模量高;密度小,比強度、比模量高;耐高溫;優異的潤滑性和耐腐蝕性;良好的導電、導熱和抗疲勞性能。
  復合材料是2種或多種性質不同的材料復合而成,包括不連續增強相和連續的基體。復合材料中各組分材料獨立存在,但復合材料的性質卻不同于組分的性質。碳纖維可作為增強相與基體材料(如高分子樹脂、陶瓷、金屬等)制成碳纖維復合材料。其中,碳纖維/環氧樹脂、碳纖維/聚醚醚酮等碳纖維增強樹脂基復合材料( carbon fiber reinforced polymer, CFRP)具有低密度、高強度、耐化學腐蝕、便于加工設計等優勢,廣泛應用于復合材料壓力容器的設計制造。
2 碳纖維復合材料壓力容器

  碳纖維復合材料壓力容器的結構主要包括內襯層和碳纖維復合材料層,內襯主要作用為存儲、防漏和防化學腐蝕,而復合材料層則是壓力的主要承載體。碳纖維復合材料層是由碳纖維及基體組成,其中,碳纖維是增強相,基體則可以起到傳遞載荷、固化及保護碳纖維材料的作用。將浸過樹脂膠液的碳纖維按照特定的方式纏繞到內襯上,經固化、自緊等工序后,便獲得碳纖維復合材料壓力容器。

  自20世紀80年代碳纖維增強鋁合金內襯壓力容器問世以來,碳纖維復合材料壓力容器的研究取得了很大進展,應用也越來越廣泛。當前,碳纖維復合材料壓力容器主要應用有:醫療呼吸器系統,包括家用及醫用氧氣呼吸器, 用于消防的自給式正壓空氣呼吸器及救援用壓縮氧氣循環式呼吸器等;航空航天領域,包括飛機逃生滑梯充氣裝置、彈射座椅以及殼體等;新能源汽車領域,包括鋼內膽碳纖維環向纏繞鋼復合材料氣瓶(CNG-2)、鋁內膽碳纖維全纏繞復合材料氣瓶(CNG-3)、 塑料內膽全纏繞復合材料氣瓶(CNG-4)等壓縮天然氣儲氣瓶、 高壓儲氫氣壓力容器等。
3 碳纖維復合材料壓力容器的設計、優化及損傷與檢測研究

  隨著新型復合材料的持續發展,復合材料壓力容器的國家制造標準與規范日臻完善,因而其設計理論方法和制造工藝的研究亟需深化。當前,碳纖維復合材料壓力容器的研究主要集中在結構設計、性能優化、損傷及其檢測研究等方面。
3.1 結構設計

  為了提高壓力容器的力學性能、縮短制造周期和降低成本,需要根據相關設計理論和標準對復合材料壓力容器進行結構設計。Zu等采取非測地線纏繞成型方法設計T800碳纖維復合材料球形壓力容器,基于離散函數建立有限元模型,對其應力分布和極限強度進行模擬分析,進一步根據最大應力準則預測其爆破壓力并進行試驗驗證,實驗結果與模擬預測一致,為纖維纏繞球形壓力容器的設計提供了參考。李長鵬等利用網格理論和有限元模型對碳纖維纏繞超高壓前混合磨料罐進行設計,將傳統磨料罐的質量降低了80%,且其罐體的受力性能更佳。陳小平等針對高強中模T800碳纖維研究應用較少的現狀,采用干法纏繞成型工藝獲得不同直徑的T800碳纖維全纏繞復合材料壓力容器,為高性能T800碳纖維的產業化應用奠定了理論與實驗基礎。
  碳纖維纏繞層是復合材料壓力容器主要的壓力承載體,較大程度上決定了壓力容器的質量高低及其安全性與可靠性,因而其設計至關重要,主要包括纏繞角度、纏繞張力及纖維層厚度等方面。Arhant 等通過比較不同纏繞角度對碳纖維復合材料壓力容器受力情況的影響,根據最大應變準則、最大應力準則和Tsai-Wu 失效準則進行失效判定,發現纖維纏繞角度為 51°時壓力容器的性能明顯優于其他纏繞角度壓力容器。Zu 等基于薄膜理論、網格理論以及纏繞原理,采取非測地線纏繞模式對碳纖維纏繞參數進行優化,利用MATLAB對切點數及砂片寬度對非測地線纏繞的影響進行評估,得到最優的纏繞參數,以保證纖維的穩定性和均勻性,最后利用有限元模型分析纏繞參數對內襯和纖維層應力分布的影響并預測爆破壓力,實驗結果與理論計算一致。
3.2 性能優化

  復合材料壓力容器的性能優化是在符合相關標準與規范的前提下,建立優化模型,采用合理的方法對目標函數進行優化, 目的是充分發揮碳纖維材料的特性和提高纖維利用率,提高壓力容器的綜合性能,并減輕壓力容器的質量。
  復合材料壓力容器的自緊處理能夠改善內襯的受壓狀態,降低內襯層的應力,從而可以提高纏繞纖維的利用效率,并提高壓力容器的疲勞性能。Son等基于層合板理論,利用有限元模型建立氣瓶封頭纖維纏繞的軌跡畫數,并分析內襯與復合材料層的應力分布,從而確定最優自緊壓力。Liao等利用 ABAQUS軟件建立有限元模型,得到了合適的自緊壓力,進一步考察了自緊處理對基體和纖維損傷演變及其壓力-位移曲線的影響,發現自緊在提高壓力容器承壓能力的同時,并不會對損傷演變行為產生影響。
  將玻璃纖維、芳綸纖維等纖維材料與碳纖維材料混雜制成復合材料,可以有效提高碳纖維復合材料及壓力容器的性能。Bouvier 等從不同角度考察混雜工藝對碳纖維復合材料對壓力容器的影響,在不改變壓力容器承壓性能(70MPa)的前提下, E-玻/碳纖維混雜壓力容器的制造成本低于T700S壓力容器,而玄武巖/碳纖維混雜的壓力容器則有利于環境保護。Gemi 等以提高混雜復合材料壓力容器的損傷容限為出發點,考察了玻璃纖維和碳纖維纏混雜方式對壓力容器低速沖擊響應的影響,發現碳纖維/玻璃纖維/玻璃纖維的疊加順序能夠提高壓力容器的抗沖擊能力。
減小復合層厚度、降低質量是提高復合材料壓力容器的經濟性和降低成本的有效途徑。陳瀟灑采用兩步成型工藝設計了一種高壓碳纖維復合材料氣瓶,有限元模擬分析表明,與傳統氣瓶相比,通過兩步成型工藝制造的高壓氣瓶的自緊壓力和纏繞層應力更小,從而可以達到延長氣瓶的使用壽命和減少鋁合金內襯材料用量的目的。Alcantar 等采用遺傳算法和模擬退火法對碳纖維纏繞CNG-4氣瓶進行優化設計,依據Tsai-Wu 失效準則,以纖維纏繞層厚度、安全系數和懲罰因子為目標函數,在保證氣瓶強度的同時,可以將氣瓶的質量降低 9.8%~11.2%。

3.3 損傷及其檢測

  復合材料壓力容器的失效包括內襯失效、基體變形與開裂、纖維斷裂等方式。壓力容器的損傷和失效
會給人們的生命和財產安全帶來重大威脅,因此,損傷研究成為壓力容器領域的研究熱點之一。Wang 等基于材料性能衰減準則和內聚元的方法探究碳纖維復合材料氣瓶的損傷,利用 ABAQUS 軟件中的 UMAT子程序建立漸進損傷模型,模擬復合氣瓶的實時承載力和復合材料的失效行為。Halm 等將低壓CNG-4氣瓶暴露于火中,利用軸對稱模型分析氣瓶的熱機械性能,建立氣體泄漏和爆炸的關系并精確預測爆炸時間。Zhang 等運用熱重-紅外聯用技術分析了碳纖維/環氧樹脂復合材料的熱解行為,發現該復合材料會在180~480℃分解,其分解行為符合四級動力學模型,為復合材料壓力容器的火災風險評估提供了依據。Flanagan 等考察了不同因素對航天領域低溫存儲容器的碳纖維/聚醚醚酮復合材料的滲透性進行了研究,發現壓力和纖維層厚度對未損壞復合材料的滲透性沒有影響,而低溫損傷樣品的滲透速率取決于其微結構的破壞程度。
  碳纖維復合材料壓力容器可以根據需要在碳纖維纏繞層設置在線安全監控系統,提高安全性與可靠性。Chou 等利用聲發射檢測技術探測恒壓和循環內壓下碳纖維復合材料氣瓶的損傷,研究發現聲發射技術可以有效探測氣瓶損傷的開始和積累,恒壓下碳纖維纏繞層損傷較高的隨機性,這是由碳纖維的隨機斷裂造成的。Saeter 等將光導纖維嵌入到纖維纏繞層中用以檢測壓力容器損傷,嵌入的光導纖維可以檢測加壓過程中復合材料層的應力,根據其產生的后散射光可以確定損傷的位置和程度。Gąsior 等以車載CNG-4 復合材料氣瓶為研究對象,根據數字圖像相關方法和布拉格光纖光柵檢測缺口和層離等結構缺陷,其中數字圖像相關法有利于光纖檢測器的定位,而布拉格光纖則可用來檢測整個氣瓶的位移和應力分布,使得氣瓶設計和使用過程中產生的缺陷被發現。
3.4 其他相關研究

  Jeon 等將常規碳纖維和經過高溫焙燒的碳纖維分別置于高壓氫氣中,發現常規碳纖維的拉伸強度離散程度變大、韋布爾模數變小,而經過高溫焙燒的碳纖維拉伸強度有所上升,表明碳纖維復合材料壓力容器中存儲的氫氣會對纏繞層碳纖維的機械特性產生影響。Rafiee 等以碳纖維復合材料壓力容器爆破壓力的隨機預測為研究對象,根據不同的失效判據對比分析首層失效現象,然后利用漸進損傷模型預測壓力容器的爆破壓力,最后使用纖維體積率、纏繞角度、力學與拉伸特性為自由變量模擬制造過程的不確定性,并利用隨機模型對碳纖維復合材料壓力容器的爆破壓力做出預測。與之類似, Harada 等在預測 CNG-3型氣瓶爆破壓力的研究中,詳細分析了碳纖維填料不均勻性引起的應力變化,利用簡化的力學模型確定了材料層斷裂、碳纖維不均一性以及碳纖維與基質的層離,從而有助于碳纖維斷裂的發展和爆破壓力預測的數量化。
4 結論與展望

隨著碳纖維復合材料的加速發展和成型工藝的完善,碳纖維復合材料壓力容器的設計研發也不斷成熟, 應用范圍日趨擴大,在許多領域展示出良好的應用潛力。然而當前研究也存在著局限與不足,應加強以下幾方面研究。

(1)碳纖維復合材料的物理化學特性較復雜,需要深入研究其物化性質、疲勞和斷裂力學、壽命評估等基礎理論,促進碳纖維復合材料壓力容器性能的提升。

(2)內襯與纏繞層界面的分離與破壞是造成壓力容器失效的主要原因之一,因此內襯與纏繞層界面處理技術是今后重點的研究方向之一,可以從改善樹脂與碳纖維的浸潤性、優化內襯與碳纖維中間涂層等方面著手。

(3)輕量化與長壽命是未來壓力容器的發展方向,需將理論分析、模擬及優化技術結合,實現碳纖維復合材料壓力容器輕量化與長壽命的預期,進一步縮短設計周期, 壓縮制造成本,促進碳纖維復合材料壓力容器的技術進步和產業發展。

編輯:陳丹  校對:楊東川  審核:楊東川

(來源:《現代化工》 天津市特種設備監督檢測技術研究院 王婉君  氫云鏈整理)

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