淺談復合材料壓力容器

玻璃纖維、有機纖維和碳纖維增強樹脂基復合材料具有比強度和比模量高、可設計性強等優點，已廣泛用于制作各種復合材料壓力容器。纖維纏繞壓力容器是指采用連續纖維纏繞技術成型的承受壓力載荷的薄壁殼體容器，其具有質輕高強、特性系數高、抗疲勞性能好等諸多特點，在水下艦艇、航空航天等重大產品及關鍵部件中有著廣泛應用。 　　纖維纏繞復合材料壓力容器一般由金屬內襯、樹脂、纖維等結構組成。這種壓力容器主要有圓筒形、球形、環形和矩形等類型。對于常見的圓筒形壓力容器來說，環向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞三種方式為常用的纏繞類型。
　　纖維材料的物理化學性能如聲、電、力、熱等都可以根據工作環境的要求，通過選擇合適的材料和組分以及鋪層角度，來達到要求的工作目的，從而滿足實際生產的需要。通過合理的設計，纖維強度和剛度在纏繞過程中可以得到大程度的利用，這使得纖維纏繞復合材料壓力容器在實際工程中得到了重要的應用。
　　與傳統的鋼制容器相比，復合材料壓力容器優勢如下：
　　1、質量輕。復合材料壓力容器,是由很薄的金屬內襯或者非金屬內襯,外面再纏繞纖維構成的，增強纖維的密度小、強度高，大大減輕了容器的整體質量；
　　2、制造方便，成本底。纖維材料如碳纖維成本低廉，與不銹鋼等貴重金屬相比，采用纖維制造壓力容器可以大大降低制造成本，焊接量少且容易，使用專用的纏繞機床纏繞,機械化程度高；
　　3、失效可監控。當纖維纏繞壓力容器出現裂紋、纖維斷裂等情況時，不會立即爆破，而是發生泄漏，層間會止裂，繼而外層仍然起到承壓作用,這樣就有時間妥善的安全處理；
　　4、可設計性好。復合材料壓力容器除了內襯,其它根據功能需要可靈活改變內外層材料的設計,從而滿足各種應用需求，并可改變不同的鋪設角度來滿足容器的工作強度需要。
　　二戰以來，纖維復合材料纏繞技術逐步應用于壓力容器結構設計中。1945年Yong先采用了纖維纏繞技術制造了火箭發動機筒形外殼，自此這項工藝得到了廣泛應用和飛速發展。從20世紀60年代中期開始，我國先后圍繞玻璃鋼固體火箭發動機殼體、壓力氣瓶等開展了纖維纏繞技術的研究，并于80年代成功研制出了具有金屬內襯的纏繞式高壓容器。2013年6月14日實現次飛行的空客A350飛機其復合材料的使用比例高達52%；美國波音787飛機中復合材料的使用量達到了50%；我國的“神舟七號”飛船中，復合材料占所用材料的比例也達到了65%。