《基于复合材料的压力容器和发展》
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摘 要：压力容器是工业生产中的重要设备,然而在工业生产的实际应用中,基于传统金属或合金材料的压力容器已经不能满足大多数特殊用途或者极端环境下的物料运输,因此可以适用于复杂工况的复合材料压力容器越来越多地被工业界所关注.
关键词：压力容器;复合材料;应用
中图分类号：TH49文献标识码：A
1压力容器类型
如今的压力容器根据结构类型可分为四类：
①CNGI型：全金属结构（一般是钢材）.
②CNG II型：大部分是金属,环向有一些纤维外包层,一般是钢或者铝材加玻璃纤维复合材料.金属和复合材料分担结构荷载.
③CNG III：全复合材料外壳,内衬金属,一般是碳纤维复合材料加铝内衬.复合材料承担结构荷载.
④CNGW型：全复合材料结构,碳纤维或碳/玻璃纤维混杂复合材料加聚合物内衬（一般是高密度聚乙烯）.复合材料承担所有结构荷载.
这几种压力容器各有优缺点.I型最廉价,估计生产成本为每升容积5美元,但它最重,约1.4kg/L II型的生产成本约高50%但能减轻重量30%～40% III型和W型重量更轻,约重0. 3kg-0. 45 kg/L,但其成本大致比II型高2倍,比I型高3. 5倍.
2 复合材料压力容器
2.1复合钢板压力容器
复合金属材料是指以不同种金属和金属相结合,结合面全面覆盖贴合而形成的复合材料,其保证了高性能的同时也具有相对较低的成本,复合钢板则是其中应用较为广泛的一种.复合钢板材料主要以钢作为基础材料,通过轧制、堆焊或者爆炸等途径将另外一种性质不同的金属与之在接触面上精密结合而制成的新型复合材料.复合钢板的优势在于取长补短,通过调整各层的材料和厚度,可以充分发挥各层材料在性能上的优势,弥补各自的缺陷,从而得到最佳的力学性能和承压表现.压力容器用复合钢板主要用在外压容器中,以较薄的耐腐蚀层和较厚的高强度钢板层所组成,其优点是可以大大降低成本,但是关键部位不适宜用太多的复合钢板,避免造成整体强度的下降.复合钢板最初被使用在农业机械和工业机床刀具中,因为这些部件对复合力学性能的要求很高,随着复合材料技术的不断进步,现在已经被扩展应用到汽车、船舶、航空航天器、大型矿山机械、建筑机械等设备上.压力容器用复合钢板以不锈钢为主,钛-钢复合材料的强度也很高,其它的诸如镍、铜、铝、钼和贵金属的复合钢板应用较少.占比较大的基层材料为了追求性能与成本的平衡,多以碳钢和合金钢为主,而覆盖层则以不锈钢和耐腐蚀、耐高温涂层为主,其中以不锈钢为覆盖层的复合钢板主要用于压力容器、化学品罐车和石油炼化罐中.压力容器用复合钢板按照厚度分为三个等级：薄板为 0.4～8 mm、中板为 9～20 mm、厚板为 21～150 mm.我国复合钢板压力容器的开发和应用起步较晚,上世纪90 年代年才开始采用爆炸轧制法和爆炸法直接生产复合板供应市场,此时的复合钢板标准多是参照 JB 4733—1996《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》这一标准,目前开发出更加严格的不锈钢-碳钢、1Cr18Ni9Ti+Q235、2205/16Mn、锆-钢等复合钢板应用于压力容器制造,采用 ARB 工艺制造.对于工程上采用热轧法技术,稳定批量地生产宽幅、大尺寸复合钢板是一种有效的生产方式,将来热轧复合法也可能成为复合钢板生产的主流.
2.2 纤维缠绕压力容器
和金属不同的是,柔软度和韧性较强的纤维材料是一种高度灵活的材料,是一种典型的各向异性且非均匀的材料.通过改变不同材料的配比和叠放方式,其力学性能也会相应变化,可以灵活地适用于不同的使用环境和工况,从而满足复杂多变的生产和运输需要.例如,某种工况下所受纵向应力为横向应力的 4 倍时,设计者将纵向和横向纤维缠绕比设计为 4：1 时,便可以将纵向强度变为横向强度的 4 倍,使结构应力均匀化,从而避免材料因为应力不均匀而出现的断裂、疲勞等问题.通过使用纤维材料,设计者可以为每个压力容器在每种工况下设计出一种符合自身应力要求的结构,大大提高了压力容器的适应性.但是纤维缠绕材料也有其自身的不足,在外力和其它载荷的作用下,纤维材料相对于金属更加易于变形,由于各向异性,变形的方向也向着四周,大大降低了结构的稳定性和可靠性,可能会引起压力容器部分结构失效,在设计的过程中应该考虑到这些外力的因素,避免其不足带来的各种问题.纤维缠绕聚合物基复合材料（FWRP）压力容器具有比强度和比模量高、耐腐蚀、可实现等强度设计等优异性能,但是由于纤维材料的耐热性、耐高温性差,部分材料还容易受介质腐蚀,因此纤维缠绕复合材料应用于压力容器需要金属内衬层和树脂的配合.内衬材料采用铝合金和耐腐蚀塑料,其直接与压力容器内物料接触,保证了压力容器良好的密封性、耐高温和高强度等要求.在过去几年来非金属内衬复合材料压力容器经历了一系列问题,如碰撞强度低,接头渗漏,内衬与复合材料连接处脱落,由于温度的降低引起脆裂或破裂,但是从性能方面考虑今后复合材料压力容器是以金属内衬为发展趋势.纤维缠绕层则是主要承受应力载荷的一层,通过不同的缠绕和叠放方式,可以实现极高的强度,且其韧性较强,可以很好地传导、分散各种应力[9].树脂则是粘连纤维的主要材料.纤维缠绕压力容器主要有比模量大、比强度高,重大危险性低,方便制造,低廉,按需制造等优势.在压力容器设计中,过去的复合材料选材主要高强型纤维 T1700、T800、T1000 等,现行主要的纤维多选用 F-12 纤维、RE14纤维,此类纤维通过缠绕,可以将张力保持在 150 N～200 N之间,PV/W 值为 37.02 km,纤维强度转化度为 73.26%,应用领域多为航空航天等高应力工况下.
2.3 功能梯度材料压力容器
功能梯度材料是一种新型复合材料,主要应用于高温环境,其可以有效缓解材料内部由于高温产生的热应力,兼具高强度、耐高温、耐腐蚀等优点,且可以提供灵活的设计方案,现在已被众多研究机构研究用于航天器、核反应和高温化学反应等.除了降低内部热应力、避免裂纹等优势外,功能梯度材料还可以有效避免应力集中现象,特别是在连接界面上使用,可以减小应力突变的几率.同时其也兼具纤维材料设计灵活、易加工的特性.功能梯度材料压力容器虽然现在还处于不断的改进研究之中,不如上述两种复合材料压力容器应用普遍,但是其独特的优势却让压力容器得到了新的发展机会.功能梯度材料压力容器可以按需制造成一种双层壳体结构,其具有各向异性的梯度结构,中间的中空层起到保温的作用,同时兼具耐腐蚀的性能,而容器外层可以根据外部受力情况使用不同的材料覆盖,有效地降低成本,实现容器的轻量化设计.功能梯度材料于近十年才开始起步,行业内主要研究的功能梯度压力容器多采用热塑性树脂材料,其中以聚醚醚酮（PEEK）最为典型.PEEK 是一种特别坚固的材料,有优异的长期耐蠕变性,PEEK 与碳纤维之间有很好的粘合,用碳纤维增强的 PEEK 的力学性能和耐热性都有明显的提高.经研究表明,经过 1000 个（-150～200 ℃）热循环后,PEEK 产生裂纹仅为 1个/ cm,而环氧树脂则为 8 个/ cm,这表明 PEEK 的抗热疲劳性能大大优于环氧树脂.这类功能梯度材料在国外已发展到应用阶段,但我国目前刚刚进入研究的初级阶段,要加快开发新型的热塑性树脂基的功能梯度材料.
结束语
复合压力容器是现代工业生产中不可或缺的重要设备,传统压力容器大多以金属和合金为主要材料制造而成,这类压力容器在成本和重量居高不下的同时,还存在着应力分布不均匀、耐腐蚀差、耐高温性差的弊端,在国家大力提倡绿集约经济和绿色发展的大背景下,采用新型复合材料改进现行的压力容器设计十分必要.
参考文献：
[1]张刚翼,齐磊. 国产碳纤维缠绕铝内衬气瓶的缠绕设计及校核[J]. 纤维复合材料,2017,34（1）：11-14.
[2]陈汝训. 具有衬里的纤维缠绕压力容器分析[J]. 固体火箭技术,1999,22（4）：54-56.
（作者：130105198103134814）
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复合材料和压力容器引用文献:
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