碳纖維纏繞壓力容器結構及制造工藝

馮中濤　丁天霖

摘? 要：纖維復合材料具有各向異性的特點并且在制造成型上具有多選擇性，纖維纏繞壓力容器和傳統壓力容器都有自己的結構和制造過程具有一些共同的特征。纖維纏繞壓力容器按外形分類有圓柱形、球形、矩形、環形四種。本文基于碳纖維纏繞壓力容器實際情況，對其結構及制造工藝進行論述。

關鍵詞：碳纖維;結構;制造工藝

隨著先進復合材料的研制以及計算機技術的應用，輕量化、高強度、高性價比、節能減排已成為復合材料氣瓶研制的主要課題，基于此角度，本文就碳纖維纏繞壓力容器結構及制造工藝作如下研究分析。

一、碳纖維纏繞圓柱形壓力容器結構

本文研究模型為圓柱形碳纖維纏繞壓力容器，它由鋁合金內襯，纖維增強層，纖維外纏繞層和防撞層四個部分組成。

1.防撞層

防撞層是當容器在外力作用于表面時起到保護增強纖維的作用，避免出現損壞。具有吸附沖擊能量，避免載荷集中單一區域，起到保護作用。通常選擇具有重量輕和良好的隔熱性、抗沖擊性的材料。工程上一般選用聚氨脂泡沫等無機或有機材料。

2.外保護層

外保護層的作用是預防纖維增強層受到外部的物理性打擊，如撞傷、割傷等。

3.纖維增強層

該層采用碳纖維與環氧樹脂復合制成。環氧樹脂其物理性質特點，較優異的力學性能和與纖維粘結時綜合性能突出。并且工藝上很成熟，耐腐蝕性和耐環境氣候性能佳，絕緣性和穩定的尺寸，被廣泛應用于其它各類型纏繞壓力容器中。

4.金屬內襯

金屬內襯的作用是：第一，作為纏繞芯模，提供外部接口和纏繞層的載體;第二，密封介質，防止泄漏;第三，承擔較小的載荷。金屬內襯的材料需與介質能夠相容，并且還需具有良好延伸性及防腐蝕性能。

二、纖維纏繞基本線型

纖維纏繞壓力容器的纏繞線型主要有螺旋纏繞、環向纏繞和縱向纏繞三種。

1.環向纏繞線型

環向纏繞線型的主要纏繞流程：繞絲頭沿內襯軸向均勻移動，內襯作回轉運動，使纖維均勻完整的繞好全部內襯筒身段。環向纏繞其工藝特點是無法在封頭纏繞，因此只有筒體作纖維纏繞，其纏繞角度小于90°。在保證容器強度的前提下必須充分發揮纖維的單向強度的作用。鑒于環向纏繞線型具有天然的局限性，壓力容器軸向方向沒有加強，因此本文中碳纖維纏繞壓力容器是環向纏繞和螺旋向纏繞相結合的方式。

2.縱向纏繞線型

縱向纏繞線型纏繞主要流程：內襯作回轉運動，繞絲頭沿著軸向水平面作圓周運動。其纏繞的角度范圍在25°以內，纖維纏繞軌跡是平面封閉圓。

3.螺旋纏繞線型

也稱為測地線式纏繞線型。纏繞過程：繞絲頭度沿內襯軸線方向作往復移動，容器內襯作回轉運動。纏繞角度在17°左右。相鄰纖維間相接但不相交，保證極孔圓周上的每個切點均有一條纖維。

三、內襯與纖維纏繞制造工藝

1.內襯制造工藝

（1）焊接成形

焊接成形工藝：主要包括劃線、下料、刨邊、卷圓、焊接等工序。主要不同在于鋁合金的焊接技術比碳鋼在工藝上更難，焊接質量要求不能滿足，難以達到工藝要求，同時通常鋁制品容器焊接后沒有熱處理。

（2）旋壓成形技術

旋壓成型工藝流程：擠壓成形、閉合、熱處理、化學拋光、機械精加工等工藝組成。例如，使用化學、物理性能達標的鋁合金基材，剪切制成薄片，經表面裂紋檢測合格后拉壓成形，再經表面拋光，二次測量及清潔處理，最后端口旋壓閉合。在纏繞纖維前還需仔細清潔內襯的里外表面，并在內襯外表面上貼上膠膜，使復合層與內襯具有良好的粘結界面，并防止出現電腐蝕等不良現象。

2.碳纖維纏繞工藝

碳纖維纏繞工藝流程：依次進行浸膠、加熱、纏繞、固化BL碳纖維。工作過程為：附著在張力器上的碳纖維穿過浸膠槽浸膠后，繞絲嘴按設定的纏繞線型纏繞到內襯容器表面上，內襯容器安裝于主軸上，由主軸來驅動。浸膠有表面帶膠式浸膠和沉浸式浸膠兩種工藝。

由于基體多使用熱塑型樹脂，所以熱塑性纏繞、濕法纏繞和預浸纖維纏繞都需加熱處理固化。加熱器的目的是使纖維軟化，達到纖維材料粘結良好的目的，其溫度一般控制在100°C以內。而對部分熱塑性纏繞加熱溫度要求更高時，可直接選用微波加熱法或者激光加熱法，能夠嚴格控制溫度保證加熱效果。按照基體材料的不同分類，成型工藝還有：濕法、干法和半干法三種工藝方法。

綜上所述，本文介紹了容器內襯結構的外形類型和纖維纏繞制造工藝過程，并說明了容器內襯及纖維層制造所需材料的性能指標等。通過對纏繞制品的成型工藝及制造過程，闡述了纖維纏繞的基本原理。分別說明了三種纏繞工藝和纏繞線型特點和纏繞張力對纏繞成型質量的影響。

參考文獻

[1]YUNUSA Mujaheed，祖磊，TAPA Arnauld Robert.鋁內襯碳纖維復合材料壓力容器非測地線纏繞與強度分析[J].玻璃鋼/復合材料，2019（12）：54-61.

[2]楊斌，胡超杰，軒福貞，萬云，楊康，肖飚.多壁碳納米管界面傳感器及其在纖維纏繞壓力容器原位監測中的應用[J].復合材料學報，2020，37（02）：336- 344.DOI：10.

[3]舒明杰，祖磊，王繼輝，李書欣，吳維清，胡海曉.內襯材料性能對碳纖維纏繞壓力容器的軸向殘余變形的影響[J].玻璃鋼/復合材料，2016（01）：5-9.

[4]楊帆. 金屬內襯纖維纏繞復合材料壓力容器強度分析[D].浙江大學，2010.