纖維增強復合材料在壓力容器上的應用優勢

  復合材料中應用最廣泛的還屬纖維增強復合材料,而纖維增強復合材料的典型應用是纖維纏繞增強壓力容器,如車載氣瓶。纖維纏繞壓力容器主要由芯模和纏繞層組成。芯模起支撐整體結構與防止泄漏的作用,而纏繞層主要作用是增強容器的承載能力。纏繞層又包括纖維和樹脂基兩種材料。壓力容器的承載能力主要取決于纖維層的強度。樹脂基除了有很好的抗阻尼性和延展性,還能夠把纖維粘結在一起保護纖維免于化學侵蝕和機械磨損。

  與傳統的金屬壓力容器相比,纖維纏繞壓力容器具有以下優點:

  (1)質量輕、體積小。傳統的高壓容器多為金屬容器。由于金屬強度有限,要提高容器工作壓力,必須增加容器壁厚。這樣的容器占地空間和質量就會增加,導致存儲和運輸不便。在保證同樣強度的情況下,纖維增強壓力容器是由質量更輕的纖維纏繞在很薄的芯模上形成層合結構。這樣可以大大減輕容器質量和體積。

  (2)強度大、安全性能高。傳統的壓力容器大多為單層結構。這種結構無法施加預緊力,并且結構中一旦有裂紋出現,極易產生應力集中,引發泄漏。而纖維增強容器為層合結構, 可以通過施加預緊力來提高容器強度。此外,單根纖維破壞對纖維束整體的承 載能力影響很小,加上纖維纏繞層具有高的比強度,所以這樣既增加了容器強度又避免了容器發生爆炸的危險。

  (3)耐腐蝕、抗磨損。傳統壓力容器主要采用金屬制造,金屬的抗化學腐蝕性能和耐磨性能偏低,大大縮減了容器的使用壽命。而纖維增強復合材料容器的樹脂基恰恰彌補了這一不足,它起到了保護增強纖維的作用。

  (4)絕緣性能好、絕熱性能好。眾所周知,金屬是電和熱的良導體,所以外界的環境條件變化會對容器產生很大的影響。纖維和樹脂基的絕熱性能和絕緣性能好,所以復合材料氣瓶對 溫度和電的敏感程度小。

  (5)阻尼性強、抗沖擊、延展性好的樹脂基提高了復合材料的韌性,使其具有了很好阻尼特性、減震特性和抗沖擊特性,使其能在較惡劣的環境下使用。

  (6)易制造、成本可調。單層結構壓力容器的“筒節鍛焊”制造成本較高且生產效率低,這種方式很難避免腐蝕、疲勞等缺陷。而復合材料壓力容器要求內襯的厚度較薄,且容易成型。纖維纏繞機床具有機械化和自動化程度高,所以可以提高制造復合材料壓力容器的效率和質量。復合材料壓力容器的另一優點是成本可調,它的成本主要取決于纖維材料和內襯的性能。可以通過不同纖維和不同內襯的搭配來調整成本。

  (7)容器結構設計靈活。金屬厚壁壓力容器結構設計單一,其承載能力也不高。而復合材料壓力容器的許多結構參數都可以靈活改變。如:內襯壁厚、纏繞層材料、纖維預緊力等。為了滿足各種應用需求,可以改變其相應的材料參數。

  綜上所述,復合材料整體性能優良,應用領域廣泛,對其研究具有很高的學術意義和工程價值。

 

  閱讀延伸:《關于碳纖維壓力容器的失效研究