基于復合材料的壓力容器研究與發展

楊紅亮

摘要：壓力容器是工業生產中的重要設備，然而在工業生產的實際應用中，基于傳統金屬或合金材料的壓力容器已經不能滿足大多數特殊用途或者極端環境下的物料運輸，因此可以適用于復雜工況的復合材料壓力容器越來越多地被工業界所關注。

關鍵詞：壓力容器;復合材料;應用

中圖分類號：TH49?文獻標識碼：A

1壓力容器類型

如今的壓力容器根據結構類型可分為四類：

①CNG?I型：全金屬結構（一般是鋼材）。

②CNG II型：大部分是金屬，環向有一些纖維外包層，一般是鋼或者鋁材加玻璃纖維復合材料。金屬和復合材料分擔結構荷載。

③CNG III：全復合材料外殼，內襯金屬，一般是碳纖維復合材料加鋁內襯。復合材料承擔結構荷載。

④CNGW型：全復合材料結構，碳纖維或碳/玻璃纖維混雜復合材料加聚合物內襯（一般是高密度聚乙烯）。復合材料承擔所有結構荷載。

這幾種壓力容器各有優缺點。I型最廉價，估計生產成本為每升容積5美元，但它最重，約1.4kg/L II型的生產成本約高50%但能減輕重量30%～40% III型和W型重量更輕，約重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 復合材料壓力容器

2.1復合鋼板壓力容器

復合金屬材料是指以不同種金屬和金屬相結合，結合面全面覆蓋貼合而形成的復合材料，其保證了高性能的同時也具有相對較低的成本，復合鋼板則是其中應用較為廣泛的一種。復合鋼板材料主要以鋼作為基礎材料，通過軋制、堆焊或者爆炸等途徑將另外一種性質不同的金屬與之在接觸面上精密結合而制成的新型復合材料。復合鋼板的優勢在于取長補短，通過調整各層的材料和厚度，可以充分發揮各層材料在性能上的優勢，彌補各自的缺陷，從而得到最佳的力學性能和承壓表現。壓力容器用復合鋼板主要用在外壓容器中，以較薄的耐腐蝕層和較厚的高強度鋼板層所組成，其優點是可以大大降低成本，但是關鍵部位不適宜用太多的復合鋼板，避免造成整體強度的下降。復合鋼板最初被使用在農業機械和工業機床刀具中，因為這些部件對復合力學性能的要求很高，隨著復合材料技術的不斷進步，現在已經被擴展應用到汽車、船舶、航空航天器、大型礦山機械、建筑機械等設備上。壓力容器用復合鋼板以不銹鋼為主，鈦-鋼復合材料的強度也很高，其它的諸如鎳、銅、鋁、鉬和貴金屬的復合鋼板應用較少。占比較大的基層材料為了追求性能與成本的平衡，多以碳鋼和合金鋼為主，而覆蓋層則以不銹鋼和耐腐蝕、耐高溫涂層為主，其中以不銹鋼為覆蓋層的復合鋼板主要用于壓力容器、化學品罐車和石油煉化罐中。壓力容器用復合鋼板按照厚度分為三個等級：薄板為 0.4～8 mm、中板為 9～20 mm、厚板為 21～150 mm。我國復合鋼板壓力容器的開發和應用起步較晚，上世紀90 年代年才開始采用爆炸軋制法和爆炸法直接生產復合板供應市場，此時的復合鋼板標準多是參照 JB 4733—1996《壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板》這一標準，目前開發出更加嚴格的不銹鋼-碳鋼、1Cr18Ni9Ti+Q235、2205/16Mn、鋯-鋼等復合鋼板應用于壓力容器制造，采用 ARB 工藝制造。對于工程上采用熱軋法技術，穩定批量地生產寬幅、大尺寸復合鋼板是一種有效的生產方式，將來熱軋復合法也可能成為復合鋼板生產的主流。

2.2 纖維纏繞壓力容器

和金屬不同的是，柔軟度和韌性較強的纖維材料是一種高度靈活的材料，是一種典型的各向異性且非均勻的材料。通過改變不同材料的配比和疊放方式，其力學性能也會相應變化，可以靈活地適用于不同的使用環境和工況，從而滿足復雜多變的生產和運輸需要。例如，某種工況下所受縱向應力為橫向應力的 4 倍時，設計者將縱向和橫向纖維纏繞比設計為 4：1 時，便可以將縱向強度變為橫向強度的 4 倍，使結構應力均勻化，從而避免材料因為應力不均勻而出現的斷裂、疲勞等問題。通過使用纖維材料，設計者可以為每個壓力容器在每種工況下設計出一種符合自身應力要求的結構，大大提高了壓力容器的適應性。但是纖維纏繞材料也有其自身的不足，在外力和其它載荷的作用下，纖維材料相對于金屬更加易于變形，由于各向異性，變形的方向也向著四周，大大降低了結構的穩定性和可靠性，可能會引起壓力容器部分結構失效，在設計的過程中應該考慮到這些外力的因素，避免其不足帶來的各種問題。纖維纏繞聚合物基復合材料（FWRP）壓力容器具有比強度和比模量高、耐腐蝕、可實現等強度設計等優異性能，但是由于纖維材料的耐熱性、耐高溫性差，部分材料還容易受介質腐蝕，因此纖維纏繞復合材料應用于壓力容器需要金屬內襯層和樹脂的配合。內襯材料采用鋁合金和耐腐蝕塑料，其直接與壓力容器內物料接觸，保證了壓力容器良好的密封性、耐高溫和高強度等要求。在過去幾年來非金屬內襯復合材料壓力容器經歷了一系列問題，如碰撞強度低，接頭滲漏，內襯與復合材料連接處脫落，由于溫度的降低引起脆裂或破裂，但是從性能方面考慮今后復合材料壓力容器是以金屬內襯為發展趨勢。纖維纏繞層則是主要承受應力載荷的一層，通過不同的纏繞和疊放方式，可以實現極高的強度，且其韌性較強，可以很好地傳導、分散各種應力[9]。樹脂則是粘連纖維的主要材料。纖維纏繞壓力容器主要有比模量大、比強度高，重大危險性低，方便制造，價格低廉，按需制造等優勢。在壓力容器設計中，過去的復合材料選材主要高強型纖維 T1700、T800、T1000 等，現行主要的纖維多選用 F-12 纖維、RE14纖維，此類纖維通過纏繞，可以將張力保持在 150 N～200 N之間，PV/W 值為 37.02 km，纖維強度轉化度為 73.26%，應用領域多為航空航天等高應力工況下。

2.3 功能梯度材料壓力容器

功能梯度材料是一種新型復合材料，主要應用于高溫環境，其可以有效緩解材料內部由于高溫產生的熱應力，兼具高強度、耐高溫、耐腐蝕等優點，且可以提供靈活的設計方案，現在已被眾多研究機構研究用于航天器、核反應和高溫化學反應等。除了降低內部熱應力、避免裂紋等優勢外，功能梯度材料還可以有效避免應力集中現象，特別是在連接界面上使用，可以減小應力突變的幾率。同時其也兼具纖維材料設計靈活、易加工的特性。功能梯度材料壓力容器雖然現在還處于不斷的改進研究之中，不如上述兩種復合材料壓力容器應用普遍，但是其獨特的優勢卻讓壓力容器得到了新的發展機會。功能梯度材料壓力容器可以按需制造成一種雙層殼體結構，其具有各向異性的梯度結構，中間的中空層起到保溫的作用，同時兼具耐腐蝕的性能，而容器外層可以根據外部受力情況使用不同的材料覆蓋，有效地降低成本，實現容器的輕量化設計。功能梯度材料于近十年才開始起步，行業內主要研究的功能梯度壓力容器多采用熱塑性樹脂材料，其中以聚醚醚酮（PEEK）最為典型。PEEK 是一種特別堅固的材料，有優異的長期耐蠕變性，PEEK 與碳纖維之間有很好的粘合，用碳纖維增強的 PEEK 的力學性能和耐熱性都有明顯的提高。經研究表明，經過 1000 個（-150～200 ℃）熱循環后，PEEK 產生裂紋僅為 1個/ cm，而環氧樹脂則為 8 個/ cm，這表明 PEEK 的抗熱疲勞性能大大優于環氧樹脂。這類功能梯度材料在國外已發展到應用階段，但我國目前剛剛進入研究的初級階段，要加快開發新型的熱塑性樹脂基的功能梯度材料。

結束語

復合壓力容器是現代工業生產中不可或缺的重要設備，傳統壓力容器大多以金屬和合金為主要材料制造而成，這類壓力容器在成本和重量居高不下的同時，還存在著應力分布不均勻、耐腐蝕差、耐高溫性差的弊端，在國家大力提倡綠集約經濟和綠色發展的大背景下，采用新型復合材料改進現行的壓力容器設計十分必要。

參考文獻：

[1]?張剛翼，齊磊. 國產碳纖維纏繞鋁內襯氣瓶的纏繞設計及校核[J]. 纖維復合材料，2017，34（1）：11-14.

[2]?陳汝訓. 具有襯里的纖維纏繞壓力容器分析[J]. 固體火箭技術，1999，22（4）：54-56.

（作者身份證號碼：130105198103134814）