4L復合材料高壓氣瓶的研制與驗證

王海芳，楊永生，劉森川

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

4L復合材料高壓氣瓶的研制與驗證

王海芳，楊永生，劉森川

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文研究的4L復合材料高壓氣瓶具有大長徑比(5.68)，需進行10 000次壓力循環的疲勞試驗，疲勞試驗之后不得有肉眼可見的損傷、變形和滲漏的缺陷。依據氣瓶的性能要求設計鋁合金內襯和復合材料鋪層，確定內襯的結構尺寸和纏繞工裝形式，選擇合理的復合材料鋪層，通過爆破試驗和疲勞爆破試驗對設計的方案進行驗證，結果表明：方案科學合理。

高壓氣瓶；長徑比；疲勞試驗；爆破試驗

1 引 言

壓力容器廣泛應用于化工、輕工、能源、冶金、航天等領域。復合材料壓力容器分內壓容器(如氧氣瓶等各種氣瓶)和外壓容器(深潛器等)兩種。目前，復合材料壓力容器正以獨特的優勢(質量輕、結構效率高、失效形式安全、耐腐蝕性好)在飛機、潛艇、火箭等運載工具及醫療方面廣泛應用。

復合材料壓力容器主要由兩部分組成：內襯層、樹脂基復材層。纖維纏繞復合材料壓力容器基體多采用熱固性樹脂，隨著航天工業的不斷發展，國外從20世紀80年代起復合材料的研究重點已從熱固性基體轉向熱塑性基體。纏繞使用的纖維高模高強纖維得到了更加廣泛和深入的應用。復合材料壓力容器內襯一般采用金屬和非金屬材料。

本文重點研究4L鋁合金內襯碳纖維纏繞復合材料高壓氣瓶。

2 結構設計

2.1 4L復合材料高壓氣瓶性能要求

本文研究的4L復合材料高壓氣瓶長徑比為5.68，爆破壓力不小于72.1 MPa，0 MPa—21 MPa往復循環10 000次，疲勞試驗之后不得有肉眼可見的損傷、變形和滲漏的缺陷，疲勞試驗之后進行水壓爆破試驗。

2.2 鋁合金內襯的設計

高壓氣瓶的內襯需要滿足：(1)保證良好的氣密性；(2)有一定剛度，能兼作纖維纏繞時的模具；(3)有一定的抗沖擊韌性[1]。本文研究的4L氣瓶要求有很高的循環疲勞壽命。內襯厚度主要取決于循環壽命要求，內襯的循環疲勞壽命依賴于內襯厚度、內襯應變范圍、復合材料與內襯間的粘接、內襯厚度變化率、內襯中的裂紋等[2]。根據4L復合材料高壓氣瓶的長度、直徑、工藝接口等要求確定內襯的封頭形式、尺寸和前后封頭的變厚區的尺寸；根據具體的壓力、容積要求、循環壽命要求確定內襯層筒身段的長度和變厚區的長度。

內襯分為無縫鋁合金內襯和有焊縫的內襯，選用旋壓一體成型的鋁合金內襯可以保證內襯有良好的氣密性。

鋁合金內襯在纏繞成型前需要對外表面進行處理，參照美國DOT-CFFC標準，在鋁合金內襯的外表面制作玻璃纖維層和環氧層作為防電化學腐蝕層。

2.3 復合材料層的設計

本文研究的復合材料高壓氣瓶是長徑比較大的薄壁壓力容器，筒身段處于薄膜應力狀態，而筒身段的薄膜內力由增強纖維承擔，即要求纖維的抗力大于或等于薄膜內力時，容器才是安全的。根據優化設計準則，纖維的方向為主應力方向可充分發揮纖維的高強特性，在筒身段采用螺旋纏繞和環向纏繞相結合的工藝成型方法。通過極孔半徑和筒身半徑之比可以確定螺旋纏繞的纏繞角，根據氣瓶的內壓和纖維的強度，計算出內力比，再根據內力比計算出鋪層厚度。計算得出的纏繞角鋪層厚度見表1，纖維性能見表2。

表1 纏繞工藝參數

表2 T700SC-12 K纖維基本性能

3 樹脂體系

樹脂體系的選擇影響到復合材料層與鋁合金內襯層的粘接強度進而影響氣瓶的循環壽命。按復合材料強度、韌性、耐高低溫及浸漬工藝性能，最終選出一組綜合性能較好的酸酐為固化劑的環氧樹脂配方，即環氧樹脂∶固化劑∶促進劑=100∶80∶1.5。樹脂配方固化制度為：80℃/1 h+120℃/3 h+150℃/3 h。樹脂澆鑄體性能見表3。

表3 樹脂澆鑄體性能

4 纏繞工裝設計

纏繞接軸的設計：4L復合材料高壓氣瓶的結構形式決定了氣瓶纏繞成型只能選擇不等極孔的旋臂纏繞工藝。旋臂纏繞需要根據產品的長度和直徑確定纏繞的超越長度進而確定纏繞接軸的總長度。

工藝接嘴的設計：為了實現螺旋纏繞在后封頭設計一個工藝接嘴。根據產品的爆破壓力要求、纏繞角度確定工藝接嘴的直徑和長度，為了保證工藝接嘴在使用過程中與封頭不脫粘，選擇合理的錐角。

5 試驗驗證

5.1 試驗結果

抽取1只編號為1#進行水壓爆破試驗，編號為2#的氣瓶先進行疲勞試驗再進行水壓爆破試驗。試驗結果見表4。

表4 試驗結果

5.2 結果分析

依據產品的結構性能要求等技術指標進行復合材料氣瓶的結構設計。通過爆破試驗和疲勞爆破試驗驗證了結構形式設計合理，鋪層方案合理。

[1] 房景臣，付求舟，蔣元興，等. HDPE內襯全復合材料壓縮天然氣氣瓶研制[C]//復合材料：生命、環境與高技術——第十二屆全國復合材料學術會議論文集. 2002:640-643.

[2] 張天平．空間應用復合材料壓力容器研制技術[J]. 上海航天，2002(1)：54-58.

工藝研究

The Development and Validation of 4L Composite High-pressure Cylinder

WANG Haifang, YANG Yongsheng, LIU Senchuan

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

4L Composite high-pressure cylinder studied in this paper has a large aspect ratio, and has no visual fracture, deformation and leakage, etc. afer fatigue testing under 10 000 pressure cycles. According to the cylinder performance requirement, alluminium alloy liners and composite layup were designed, and liner structure dimension and winding tooling were determined, and the proper composite lamiminations were chosen. Finally, the design alternatives were validated by bursting test and fatigue bursting.

high pressure vessel；aspect ratio；fatigue test；explosion bulge test

2014-12-19)

王海芳(1978-)，女，河北人，碩士，工程師。研究方向：復合材料高壓氣瓶成型工藝。 E-mail：freehfwang@126.com.