周焕红
中航工程集成设备有限公司 北京市102206
摘要：现代工业的发展对压力容器提出了更高的要求，压力容器的危害程度主要与盛装介质、材料性能、工作压力、工作温度等有关。材料选取是压力容器设计制造过程中的关键点，材料的机械强度和耐腐蚀性等都会影响压力容器的使用。复合材料已广泛应用在压力容器中，在许多方面表现出了优异的性能。
关键词：复合材料压力容器的性能分析
前言：压力容器是指盛装气体或者液体且承载一定压力的密闭设备，广泛应用于化工、石油、电力、机械、医疗、冶金、航空航天等领域，在国民经济中发挥着重要作用。压力容器分为贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器等种类。
一、复合材料概述
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面，分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。复合材料的基体材料主要有金属、陶瓷、聚合物和无机凝胶等；增强材料主要有玻璃纤维及其制品、芳纶纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等。复合材料压力容器的生产通常采用玻璃纤维、碳纤维或者芳纶纤维缠绕成型。玻璃纤维是缠绕成型复合材料压力容器最常选用的增强材料，它具有优异的拉伸性能和低廉的价格；碳纤维通常是在刚度和重量指标要求高的情况下选用的，当内衬选用金属材料时，金属的断裂伸长率和碳复合材料的断裂伸长率必须匹配；当有强度和减重要求时通常选用芳纶纤维，因为芳纶纤维具有高拉伸强度和高拉伸模量的同时，还具有优异的抗冲击性能。复合材料具有可设计性、材料与结构的同一性、复合效应的优越性、材料对复合工艺的依赖性等特点，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳和电绝缘等性能，使得复合材料压力容器具有独特的特点：
二、复合材料压力容器的性能分析
1.力学性能分析：复合材料层合壳体具有与均匀各向异性壳体同样的曲面几何性质。复合材料结构的力学分析，涉及的因素很多，问题复杂，除了一些特殊的和简单的问题可以采用解析法求解外，其它的问题很难或不可能用解析法求解，需要采用数值方法。复合材料压力容器可用的数值分析方法有:⑴有限元位移法。这是应用最广泛、最有效的数值解法。将铺层作为结构来分析的细观有限元法将基体和增强材料分开，引进不同的材料常数，采用分区的方法，将所考虑的整个铺层分成若干区域，在每一区域中再划分单元，同一区域中的材料常数是一定的。将增强材料与基体复合在一起的宏观有限元法分为以铺层为分析单元的铺层有限元法和以层合板为分析单元的层合板有限元法。前者包括沿表面的结构离散和沿厚度方向的铺层离散，后者类似于通常各向同性材料的结构离散。⑵边界元法。对于解决复合材料压力容器的边界问题，如边界效应问题与无界区域问题有独特之处。⑶应力杂交元法。
2.复合材料失效准则。复合材料压力容器的失效准则主要是指铺层的失效准则，研究因外力作用(应力状态)和由材料本身固有性质所决定的因素引起的容器材料破坏，仅仅作为容器失效的判据。⑴最大应力失效准则。材料在复杂应力状态下进入破坏是由于其某个应力分量达到了材料相应的基本强度值。⑵最大应变失效准则。材料在复杂应力状态下进入破坏是由于材料各正轴方向的应变值达到了各基本强度值所对应的应变值。
3.基于复合材料的压力容器的性能研究。在压力容器试验中，刚缠绕完毕的压力容器，直接固化后，产品表面出现气泡、浮胶、胶瘤等现象，产品性能较差。产品经过解剖后分析发现，其内外层的含胶量很不均匀，因此开展了容器最佳固化时机的研究。将缠好后的容器在室温条件下存放，使容器在室温下缓慢地进行固化，同时对容器边缘下挤出来的胶珠进行GPC 谱图分析，结果可知:刚缠好的容器上的胶珠的重均分子量为1.595，放置两天后便增大到6.956，这说明容器在室温放置后，胶液中的大分子物质逐渐增加，亦即胶液的预固化度进一步增加，随着放置时间的延长，其重均分子量逐渐增大，放置6d 后已经达到了26.037，容器表面的胶珠已经发硬了，此时按照DSC 曲线确定的固化制度进行固化，固化过程中没有发生外部流胶、内层基体过量外迁的现象，固化出的容器外观光滑，性能较佳。采用“交替”铺层方式缠绕，用微机控制多功能浸胶机严格控制预浸胶带的含胶量，进行含胶量(质量分数)对Ф150mm 压力容器性能的影响试验，从试验结果得知，含胶量过高或过低，缠绕容器的综合性能都不好;含胶量过高时，容器中纤维体积分数降低，容器消极质量增加，导致容器特性系数降低；含胶量过低时，树脂基体不能有效充满复合材料中的孔隙，导致制品中有缺陷，容器性能也不高。从上述试验数据中可知，第二组容器的PV/W 值与纤维强度转化率均很高，因此在此基础上又进行了发容器试验，爆破均发生在筒身中段，说明容器的综合性能较高。纤维增强复合材料缠绕压力容器铺层方式对容器性能影响极大，是复合材料缠绕成型工艺中的关键技术之一。在纤维缠绕成型工艺中，铺层方式有两种：第一种是所有纵向层纤维“集中”缠绕在容器内部，所有环向层纤维“集中”缠绕在容器外部；第二种是纵向及环向纤维“交替”缠绕。就这两种铺层方式，分别缠绕两发Φ150mm 压力容器，每发容器都采用4 层纵向和5 层环向的缠绕方式，做了对比试验，可以看出“交替”缠绕的压力容器性能明显高于“集中”缠绕的，这是因为“集中”缠绕的容器纵环向之间只有一个交接面，导致容器整体结构性能较差。分析了破坏后的压力容器也可发现：“交替”缠绕的压力容器破坏发生在筒身中部，纵环向全部破坏；而“集中”缠绕的容器是在纵环向的交接面处分层破坏，壳体的整体性能较差，因而容器性能也较差。
结束语：在复合材料压力容器性能研究的基础上，可以有针对性地改进复合材料成型工艺，使复合材料与其连接的金属材料成为整体，达到最佳的性能指标。复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用，必将随着复合材料技术的发展而发展
参考文献：
[1] 张天平. 空间应用复合材料压力容器研制技术[J]. 上海航天,2018, ( 3) :54- 62.