淺談復(fù)合材料壓力容器的性能

摘要：壓力容器的使用范圍很廣泛，但因?yàn)槠涫且环N承壓設(shè)備，在使用過(guò)程中具有很大的危險(xiǎn)性，在壓力容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用合理的壓力容器材料是其設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟，這對(duì)后期容器的性能起到了決定性的作用，所選材料的耐腐蝕性及機(jī)械強(qiáng)度都會(huì)對(duì)壓力容器的使用狀況造成影響，隨著工業(yè)水平的提高，對(duì)壓力容器的性能參數(shù)有了更為苛刻的要求。通過(guò)闡述壓力容器的設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀及特點(diǎn)，提出相關(guān)的應(yīng)力分布計(jì)算方法，分析造成復(fù)合材料壓力容器失效的主客觀因素，對(duì)復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制造具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；壓力容器；性能

壓力容器目前廣泛應(yīng)用于航天、能源、化工等領(lǐng)域，它是能夠承受一定壓力的設(shè)備，隨著工業(yè)技術(shù)對(duì)壓力容器更嚴(yán)格的要求，壓力容器需要具備更好的性能來(lái)滿足工業(yè)發(fā)展的需要，然而壓力容器的材料、介質(zhì)條件、溫度、設(shè)計(jì)壓力等因素都會(huì)影響到壓力容器的性能，這也使得壓力容器在使用過(guò)程中具有一定的危險(xiǎn)性。壓力容器的材料對(duì)壓力容器的性能起著決定性的作用，在壓力容器材料上的技術(shù)突破，對(duì)整個(gè)壓力容器的設(shè)計(jì)制造具有重大意義，材料的耐腐蝕性及機(jī)械強(qiáng)度等性能，對(duì)壓力容器的使用狀況都有重要的影響。

過(guò)去的壓力容器的材料大多是金屬板材，容器的內(nèi)襯通常采用耐腐蝕的合金鋼材料，為了提高機(jī)械強(qiáng)度，在其外層進(jìn)行金屬板包扎，但是金屬材料具有造價(jià)高、密度大的特點(diǎn)，將合金鋼材料應(yīng)用于腐蝕嚴(yán)重的場(chǎng)合，會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)造成很大的不便。復(fù)合材料出現(xiàn)之后，由于其具有各種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，尤其是在航天技術(shù)方面的應(yīng)用，航天器技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展應(yīng)用起到了很大的促進(jìn)作用，由于復(fù)合材料的良好性能，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)容器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1.復(fù)合材料壓力容器的概述

1.1.復(fù)合材料壓力容器的特點(diǎn)

ISO（國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織）為復(fù)合材料給出了這樣的定義，復(fù)合材料是指，有兩種及兩種以上的具有不同的化學(xué)及物理性質(zhì)的物質(zhì)組合而成的一種多相的固體材料。這些材料中，其中一種作為基體，其他的材料是為增強(qiáng)體組合而成的材料。這些材料組合在一起，在性能上具有互補(bǔ)作用，能夠產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這樣的復(fù)合材料的綜合性能比任何一種材料的單獨(dú)性能都要好，能夠滿足各種不同的材料要求，這種復(fù)合材料不僅具有材料與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性、可設(shè)計(jì)性、復(fù)合工藝的依賴性、復(fù)合材料的優(yōu)越性等性能，還具有良好的減磨耐磨、穩(wěn)定的化學(xué)性能、電絕緣性、耐疲勞性、自潤(rùn)滑性及良好的耐熱性能。正因?yàn)閺?fù)合材料具有諸多的優(yōu)良性能，使得其在制造業(yè)以及壓力容器制造中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合材料應(yīng)用于壓力容器的制造中，具有以下優(yōu)良特性：（1）具有很好的韌性，鋼制壓力容器在壓力作用下具有破壞突發(fā)性，復(fù)合材料中的基體能夠與增強(qiáng)材料有效的結(jié)合，能夠?qū)⑤d荷進(jìn)行平衡的傳遞，有效的防止裂紋的擴(kuò)展，使材料的斷裂韌性得到有效的提高；（2）具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，和傳統(tǒng)金屬比起來(lái)，復(fù)合材料具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，不需要做特殊處理就能滿足壓力容器的耐腐蝕要求，直接將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中；（3）復(fù)合材料具有密度小的特點(diǎn)，一般情況下，復(fù)合材料選用金屬、陶瓷或是一些聚合物等材料作為基體材料，它本身的密度就不大，與增強(qiáng)材料融合后，密度值更低；（4）具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，目前，復(fù)合材料主要是將一些纖維產(chǎn)品作為增強(qiáng)材料，如果發(fā)生材料過(guò)載或少數(shù)纖維斷裂，載荷會(huì)被迅速的重新分配到未被破壞的纖維之上，整個(gè)構(gòu)件不會(huì)在短期內(nèi)失去承載能力。纖維材料本身的形變能力就很好，具有很高的強(qiáng)度，再與基體材料結(jié)合，強(qiáng)度性能會(huì)提高數(shù)倍，用它制成的容器會(huì)具有很好的強(qiáng)度，剛性好，質(zhì)量也很好。

1.2.復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)及制造現(xiàn)狀

隨著工業(yè)水平及要求的提升，復(fù)合材料在壓力容器制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是應(yīng)用于小型壓力容器的制造中。復(fù)合材料壓力容器通常采用金屬的內(nèi)襯，再用碳纖維等復(fù)合材料進(jìn)行外包扎成為強(qiáng)度層的結(jié)構(gòu)型式。目前，我國(guó)復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)常采用網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。網(wǎng)絡(luò)理論認(rèn)為由纖維連續(xù)纏繞制成的容器具有受力均勻、纖維分布均勻的特點(diǎn)，載荷都由纖維承擔(dān)，不計(jì)基體剛度。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析可以得到纖維的厚度、纏繞方向、應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

目前的復(fù)合材料壓力容器的制造方法，大多采用纖維纏繞的工藝方法，由連續(xù)的纖維提供產(chǎn)品所需的剛度及強(qiáng)度，可以對(duì)容器的筒身進(jìn)行螺旋纏繞，為了滿足疲勞性及氣密性要求，采用延展性好的金屬材料。

2.復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)力情況

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)與成型是一起完成的，能夠?qū)⒉牧蟽?nèi)部纖維結(jié)構(gòu)完整的保存，使復(fù)合材料具有很好的機(jī)械強(qiáng)度。但由于纖維結(jié)構(gòu)沿壁厚上的分布不均勻，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析比較困難，對(duì)于一些較為復(fù)雜的問(wèn)題的分析，可采用數(shù)值分析法進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)合材料壓力容器的載荷進(jìn)行分析的數(shù)值分析法主要有：有限元混合法、有限元位移法、應(yīng)力雜交元法、邊界元法等方法。

復(fù)合材料的壓力容器為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，受壓均勻，金屬內(nèi)襯的力學(xué)平衡方程為：

3.復(fù)合材料壓力容器的失效因素

復(fù)合材料壓力容器失效的主要形式有兩種，即復(fù)合層爆破、內(nèi)襯泄露兩種。引起復(fù)合材料應(yīng)力斷裂的主要因素是容器的結(jié)構(gòu)性能，除此之外還有載荷周期、撞擊損傷、內(nèi)襯泄露、外界環(huán)境等客觀因素會(huì)造成壓力容器的應(yīng)力失效。

4.結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料由于具有很好的耐腐蝕性及機(jī)械強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于壓力容器的制造中，在各個(gè)應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步，但是復(fù)合材料的壓力容器的研究空間還很大，具有很大的研發(fā)價(jià)值空間，有待進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：張娟（1989-），女，漢族，陜西神木人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生，從事壓力容器復(fù)合材料研究。