压力容器用复合材料的性能与应用分析
复合材料压力容器及其相关问题研究
应用。
【 关键 词 】 力容 器 ； 合 材 料 ； 计 理 论 ； 度 ； 压 复 设 强 刚度 ； 久 性 ； 护 层 ； 全 性 ； 密性 耐 保 安 气
形 状 的 芯模 （ 内衬 ） 缠 绕 固化 而 成 。 于其 具 有 比强 度 高 、 或 上 由 比模 量 大 、 实现 等 强 度 设 计 、 疲 劳 性 能 好 、 可 抗 耐腐 蚀 等 优 异 性 能 以 及便 于 大尺 寸 整 体 成 型 的特 点 。 上世 纪 七 十年 代 起 ， 了 最 大 限度 地 减 轻 压 力 容 器 重 量 ， 技 人 员研 发 了由 内衬 与 外缠 绕复 合 材 料 增 强 层 的 复合 压 力容 器 从 为 科
优 良性 能 ， 相 同 容 积 和 压 力 条 件 下 ， 合 压 力 容 器 比 钢 质 压 力 容 器 在 复 的重 量 可 减 轻 １３ ２ ３ ／ ～ ／ ；同 时 复 合 材 料 在 受 到 撞 击 或 高 速 冲击 发生 破
３ ． 螺旋 缠 绕 ３ 螺旋 缠绕 也 称 测 地 线 缠 绕 。缠 绕 时 芯 模 绕 自轴 匀 速 转 动 ， 丝 头 导
Ｏ 引 言
纤 维 增 强 聚 合 物 基 复 合 材 料 （Ｒ ， 括 Ｆ Ｐ压 力 容 器 独 具 下 Ｆ Ｐ）包 ＷＲ 列 特 点 ：Ｒ 由 纤 维 （ 强 相 ） 聚 合 物 （ 体 相 ） 成 ， ＦＰ 增 和 基 组 复合 材 料 性 能 离 散 性 大 ； 向 异 性 ；Ｒ 各 Ｆ Ｐ与 制 品 同 时 生 成 （ＷＲ Ｆ Ｐ压 力 容 器 缠 绕 成 型
复合材料压力容器设计
复合材料压力容器设计复合材料压力容器设计一、引言复合材料压力容器是一种由多种材料通过一定的工艺方法组合而成的容器，具有优异的性能特点，如轻质高强、耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳等。
随着科学技术的不断发展，复合材料压力容器在石油、化工、航空航天等领域得到了广泛应用。
本篇文章将从材料选择、结构设计、制造工艺和质量控制等方面，探讨复合材料压力容器的设计要点。
二、材料选择复合材料压力容器的设计首先需要选择合适的材料。
常见的复合材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）等。
这些材料具有不同的性能特点，需要根据具体的使用环境和要求进行选择。
例如，在石油化工领域，由于介质具有腐蚀性和氧化性，因此需要选择耐腐蚀、抗氧化的复合材料；而在航空航天领域，由于容器需要承受极高的压力和温度，因此需要选择高强度的复合材料。
三、结构设计结构设计是复合材料压力容器设计的核心环节。
结构设计需要考虑容器的结构形式、壁厚、加强结构等因素。
常见的结构形式有筒形、球形、锥形等，需要根据实际需要进行选择。
壁厚的设计需要考虑材料的力学性能和容器的使用条件，确保容器的安全性和稳定性。
加强结构的设计可以提高容器的承载能力和刚度，常见的加强结构有环向加强筋、纵向加强筋、内外加强层等。
四、制造工艺复合材料压力容器的制造工艺主要包括材料准备、成型工艺、固化工艺、机械加工等环节。
材料准备包括将增强纤维和基体树脂按照一定比例混合均匀，制成预浸料或纤维布。
成型工艺是将预浸料或纤维布按照设计要求的形状和尺寸铺设在模具上，通过加热或加压等方法使其成型。
固化工艺是将成型的复合材料在一定温度和时间下进行固化，使其具有一定的强度和刚度。
机械加工是对成型的复合材料进行切割、钻孔、铣削等加工，以满足设计要求的尺寸和形状。
五、质量控制质量控制是复合材料压力容器设计的重要环节之一。
质量控制需要考虑材料的质量、结构设计的合理性、制造工艺的可靠性等因素。
压力容器的设计问题分析
压力容器的设计问题分析摘要：本论文旨在对压力容器的设计问题进行分析，并探讨相关的挑战和未来发展方向。
首先介绍了压力容器的定义、分类和设计原则，以及力学性能要求。
然后详细讨论了材料选择与应力分析、结构设计与优化、焊接和连接技术，以及压力容器的安全性评估和监测等关键问题。
在现有问题和挑战方面，指出了安全性问题、材料选择和性能、环境影响以及监测与维护等方面的挑战。
本论文的研究有助于同业者更好地理解和解决压力容器设计中的问题，提高其安全性、可靠性和可持续性。
关键词：压力容器，容器设计，问题分析，探讨1压力容器设计的基本原理1.1 压力容器的定义和分类压力容器是指能够承受一定的内外压力，并用于储存、运输或处理液体、气体或多相物质的设备。
它们通常由金属或合金材料制造而成，具有一定的强度和密封性能。
现如今，压力容器广泛应用于化工、石油、能源、制药、食品等不同的领域。
根据结构和功能特点的不同，压力容器可分为以下几类：（1）容器类型：常见的容器类型包括储罐、反应器、分离器、换热器等等。
（2）压力等级：根据承受的压力范围，压力容器可分为低压容器、中压容器以及高压容器。
（3）安装位置：压力容器可以分为立式容器、卧式容器和倾斜式容器，根据实际需要安装在不同位置和方向上。
1.2 压力容器设计的基本原则和流程压力容器设计需要遵循以下基本原则和流程：（1）确定设计条件：确定容器的工作压力和温度等不同的设计条件，并根据相关规范和标准进行选择。
（2）材料选择：根据设计条件、介质性质和环境要求选择合适的材料，比如常用的钢材、合金材料等等。
（3）结构设计：设计容器的结构形式、壁厚、尺寸和连接方式等，以满足强度、刚度和泄漏要求。
（4）强度校核：进行容器的应力分析和强度校核，确保设计的容器在工作条件下具有足够的强度和稳定性。
（5）密封性设计：确保容器具有良好的密封性能，防止泄漏和安全隐患的发生。
（6）监测和维护设计：考虑容器的监测和维护手段，以保证容器安全运行和使用寿命。
复合材料压力容器的性能分析
中图分 类号 ：Ｈ１ ，Ｈ ９ 文献 标识 码 ： Ｔ ６Ｔ ４ Ａ
１ 引言
压力容器是承受一定压力的设备 ， 在化工 、 轻工 、 能源 、 航天 等领域得到广泛应用【 工业技术 的提高迫切要求压力容器能够 ｌ ＿ 。 在更苛刻的条件下具有更优 良的性能 ， 压力容器也存在很大的危 险 陛， 危害程度主要与设计压力 ， 温度， 介质条件和材料力学性能 有关田 压力容器材料方面的突破 ， 。 对整个压力容器技术的突破具
复合材料压力容器分析仍处于初步阶段 ， 对复合材料压力容器的 研究具有一定的参考价值。
关键 词 ： 复合材料 ； 应力分 析 ； 失效 分析 ； 力容器 压
【 ｂｔ ｃ】 ｒ ｓｒｖｓ ｌａ ｒ ｓｒ ｅｕ ｍ ｎ ｗ ｉ ｅ ｉ ｌ ｂｔ ａｇｒ ｓ ｅ ａ ｒ ｌ Ａ ｓ ａｔ Ｐｅ ／ ｓ ｓ ｒｐｅ ｕ ｉ ｅｔ ｈ ｈｉｕ ｄｗｄ ｙ ｕ ｉｄｎｅｏ ． ｔ ｉ ｒ ｓ ／ ｅ ｅ ｅ ｓ ｅ ｑ ｐ ｃ ｓ ｓ ， ｅ ｅ ｓ ｕ ｍ ｅ ａ
机 械 设 计 与 制 造
２０ ２ 文章编号 ：０ １ ３ ９ （０ ）５ ０ ２ － ３ １０ — ９７ ２ １ ０ — ２０． １ － ０
第 ５期
２ １ 年 ５月 ０１
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
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Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ
复合材料压 力容器的性 能分析 术
ｆｒｏ ｐ ｓｅｐｅｓｒ ｖｓｅ ｉｓｉ ｎｈ ｔｌ ｔ ｅｔ ｒ ｉ ｓｓｍ ｅｅｅｃ ｒ ｅｅ ｃ ｏ ｐｓｅ ｏｃｍ ｏｉ ｒｓｕｅ ｅｓｌ ｔｌ ａ ｄｉ ａ ． ｏ ｄ ｏ ｅｒ ｒｎｅ ｓａ ｈｏ ｃｍ ｏｉ ｔ ｓ ｌａ ｔ ａ ｓ ｇ Ｉｐ ｖ ｅ ｆ ｏ ｆ ｒ ｒ ｆ ｔ
复合材料压力容器
复合材料压力容器
复合材料压力容器是一种应用广泛的高性能容器，它由多种不同材料的复合层构成，能够承受高压力和各种环境条件下的工作。
复合材料压力容器具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点，因此在航空航天、船舶、化工、军工等领域得到了广泛的应用。
首先，复合材料压力容器的制造材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、聚酯树脂等。
这些材料具有优良的机械性能和化学性能，能够满足不同工作条件下的需求。
与传统的金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度，能够在保证强度的前提下减轻结构重量，提高了整体性能。
其次，复合材料压力容器的制造工艺主要包括预制、成型、固化、表面处理等步骤。
在制造过程中，需要严格控制各个工艺环节，确保复合材料的性能稳定和一致性。
同时，还需要进行严格的质量检验和控制，确保产品的质量达到设计要求。
另外，复合材料压力容器的应用领域非常广泛。
在航空航天领域，复合材料压力容器被广泛应用于航天器、卫星、导弹等载荷舱体和燃料箱体中，能够减轻结构重量，提高载荷能力。
在船舶领域，复合材料压力容器被应用于船体结构、储罐、管道等部位，能够提高船舶的载重能力和航行速度。
在化工领域，复合材料压力容器被应用于化工设备、储罐、反应釜等部位，能够提高设备的耐腐蚀性能和使用寿命。
总的来说，复合材料压力容器具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点，能够满足不同领域的工程需求。
随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增加，复合材料压力容器将会得到更广泛的应用和发展。
复合材料压力容器的研究与制备
第1期纤维复合材料㊀No.1㊀952024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024复合材料压力容器的研究与制备吴伟萍,于柏峰,赵㊀亮,周晏云(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150028)摘㊀要㊀本文介绍了复合材料压力容器的研究进展,分析了影响压力容器设计的主要参数,根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器㊂试验结果表明,压力容器设计满足技术要求,国产碳纤维在CFRP 压力容器上的应用是可行的㊂关键词㊀复合材料压力容器;国产碳纤维;湿法缠绕Research Progress and Preparation ofComposite Pressure VesselWU Weiping,YU Baifeng,ZHAO Liang,ZHOU Yanyun(Harbin FRP Institute Co.,Ltd.,Harbin 150028)ABSTRACT ㊀In this paper,the research progress of composite pressure vessel is introduced,and the main parameters af-fecting the design of pressure vessel are analyzed.According to the grid theory,combined with the optimization of winding angle and lamination order,a domestic carbon fiber composite pressure vessel is designed and manufactured.The test re-sults show that the design of pressure vessel meets the technical requirements and the application of domestic carbon fiber in CFRP pressure vessel is feasible.KEYWORDS ㊀composite pressure structure;domestic carbon fiber;wet winding通讯作者:吴伟萍,女,硕士,教授级高工㊂研究方向为复合材料成型工艺㊂E -mail:pingfrp@1㊀引言近年来,碳纤维作为一种高性能的材料,正以惊人的速度渗透到风电㊁航空航天㊁汽车工业㊁建筑行业等领域,被誉为21世纪的 新材料之王 ㊂碳纤维的比重不到钢的四分之一,其增强复合材料的抗拉强度比钢高7~9倍,力学性能优异[1]㊂由碳纤维和树脂基体结合形成的碳纤维增强复合材料(CFRP)具有高比强度㊁比模量㊁质量轻㊁耐腐蚀性好等优良性能[2],是一种轻质高强的结构部件,广泛应用于交通运输㊁航天航空以及国防军工等领域㊂近年来,在可持续发展政策的提出和现阶段能源危机的背景下,低碳环保的理念逐渐深入人心㊂Atilhan 等[3]认为绿色氢气是航运业一种很有前景的能源替代品,而氢气一般采用高压储运,其主要储运设备为压力容器[4]㊂CFRP 压力容器以轻量化㊁耐疲劳㊁耐腐蚀㊁强度高等优点,大量应用在储气㊁储能装置领域㊂与传统的全金属压力容器相比,CFRP 压力容器可设计性强的同时,质量更轻㊁承载力更强,能够使用自动化纤维缠绕设备实现批纤维复合材料2024年㊀量生产㊂目前,航天航空领域中,航天飞船及其系统的各种复合材料压力容器已成为火箭发动机的液体储存装置和空间站宇航员的生命保证气体供应系统㊂民用领域中,上世纪90年代以来,复合材料压力容器已逐步成为民用压力容器的主流产品,在加氢站已广泛利用复合材料压力容器进行高压储氢[5]㊂在 双碳 政策驱动下,压力容器市场增长迅速,东丽预测到2025年该领域碳纤维需求量将突破2万吨,到2030年,全球压力容器需求将超过8万吨,增长趋势强劲㊂纤维缠绕的研究起源于国外,复合材料压力容器的生产原材料碳纤维主要来自国外进口㊂国际上碳纤维的生产起步于20世纪60年代,经过五十余年的发展,生产工艺技术已经成熟㊂日㊁美等少数发达国家掌握了世界碳纤维的核心生产技术,尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽㊁东邦帝人㊁三菱丽阳三大碳纤维生产企业中㊂近年来,受下游需求拉动,以及2018年以来中美贸易摩擦㊁科技战㊁新冠疫情㊁俄乌冲突带来的全球供应链危机的影响,我国不断打破国外技术垄断,涌现了吉林化纤㊁中复神鹰㊁宝旌㊁新创碳谷㊁恒神㊁光威复材等碳纤维生产企业,碳纤维产能规模不断扩张,碳纤维市场国产替代趋势明显㊂本文介绍了碳纤维复合材料压力容器的研究进展和特点,研究了复合材料压力容器极限承载能力,根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器,试验结果表明,压力容器设计满足技术要求,国产碳纤维在CFRP压力容器上的应用是可行的㊂2㊀复合材料压力容器研究进展CFRP压力容器主要通过纤维的缠绕工艺在内衬外表面缠绕碳纤维丝束带,碳纤维复合材料层主要起承载作用[6],内衬起到防止泄漏和腐蚀的作用,最后利用热成型工艺形成一种高强度的薄壁容器㊂压力容器根据材料和结构分为四种:以碳素钢和合金钢为主要材料的全金属结构Ⅰ型压力容器[7];由金属内胆和环向缠绕纤维层组成的Ⅱ型压力容器[8];由金属内胆和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅲ型压力容器[9]和由非金属内衬和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅳ型压力容器[10]㊂复合材料压力容器大多为Ⅲ型㊁Ⅳ型,而非金属内衬的质量更轻,且耐腐蚀㊁抗疲劳性能更好,多以橡胶㊁高密度聚氯乙烯及复合材料为内衬㊂复合材料压力容器的成型制备研究㊁结构设计和纤维缠绕工艺研究是国内外学者共同关注的焦点㊂Zhengyun Hu[11]研究了不同铺层设计对爆破压力的影响,结果表明,数值模拟结果与实验结果之间的误差在10%以内,纤维缠绕铺层因素占影响爆破压力比重的15%;同时,环向缠绕层和螺旋缠绕层分离的纤维铺层模型可以提高爆破压力,螺旋缠绕层缠绕角从大到小分布也可以提高压力容器整体的爆破压力㊂Azeem等[12]对纤维缠绕技术在复合材料压力容器上的应用和面临的挑战等进行了评析,指出在设计和制造纤维缠绕结构时,了解各种工艺参数和它们的综合效应是非常重要的㊂Pranjali Sharma[13]研究了Ⅲ型复合材料压力容器,使用ANSYS软件进行仿真,通过试验测试类似的模型来验证压力容器由于爆裂而失效㊂Magneville[14]等人提出了用于模拟储罐爆破行为的复合材料的热力学行为定律,研究了70MPa高压IV型储氢容器的模拟和爆破实验㊂Roh[15]等人针对Ⅳ型复合材料压力容器进行了封头补强设计,得出该技术可以使复合材料缠绕层的质量为补强前质量的90%,使螺旋缠绕层层数明显减少㊂Son D S[16]等人通过理论及有限元研究,确定自紧力可以调节复合材料储气瓶整体结构的应力分布㊂Lei Zu[17]以非测地线绕线初始绕线角度和滑动系数为变量,研究了不同曲率半径下非测地线缠绕结构对环形结构性能的影响㊂Zu 等[18]对不同切点的非测地线缠绕方法进行模拟,确定合适的切点,缠绕示意如图1所示,再利用三次样条函数精确地预测了球壳的厚度分布㊂图1㊀切点数n分别为5㊁6㊁13的非测地线缠绕模式王迪[19]等人研究了螺旋缠绕纤维在头部极端孔的边缘的堆叠问题,通过对极值抽取方法与带宽扩孔法的对比,得出了在两种不同扩孔方式下,纤维缠绕层的厚度在纵向上的分布规律㊂通过有限元分析得到最佳的扩孔方案是为扩大一个带宽加一个半带宽,该方案使纤维层厚度的极值降低了69㊀1期复合材料压力容器的研究与制备31.5%㊂柴森[20]等人通过施加自紧力,可以降低内衬应力最大值,同时可以提高复合材料纤维铺层的利用率㊂陈汝训[21]优化了网格理论设计方法,结果表明适当增加圆柱缠绕角度可以增强密封段的结构,降低压力容器的质量增加量,并统筹容器爆破强度与封头段增强,保证气瓶的爆破模式处于安全模式㊂陈旦[22]通过Python语言编程完成纤维缠绕模型的参数化建模,采用truss单元模拟缠绕层㊁纤维逐层建模㊁层间接触分析等技术,证实了干纱建模方法的可行性与准确性㊂3㊀复合材料压力容器设计流程复合材料压力容器是一种高强度薄壁容器,承受的内压由内衬传递到缠绕层,内衬起储存㊁阻隔和防止气体渗漏的作用,缠绕层起承受绝大部分荷载的作用㊂内衬设计与复合材料结构层设计是复合材料压力容器结构设计的两个主要部分㊂内衬部分的设计有封头段结构和金属接口两部分,复合材料层的设计有纤维层厚度㊁纤维缠绕角度和铺层顺序等[23],设计流程如图2所示㊂图2㊀复合材料压力容器结构设计流程4㊀复合材料压力容器湿法缠绕成型工艺㊀㊀纤维缠绕是制造复合材料部件最先进㊁自动化程度较高的方法之一[24]㊂Hopmann[25]等认为湿法缠绕工艺是制造压力容器最常用的方法,湿法缠绕工艺根据芯模的形状和产品设计要求,采用环向加螺旋缠绕混合的缠绕方式来制备压力容器㊂湿法缠绕工艺本质上可以概括为3个步骤[26]:提供具有规定张力的连续纤维粗纱或布带,用规定量的低黏性树脂浸渍纤维;在芯模或内衬上按照一定线型规律进行缠绕;缠绕完成后在常温或高温下进行固化成型[27],传统湿法缠绕工艺示意如图3所示㊂A纤维筒子架;B牵拉系统;C张力控制辊;D导向辊;E带刮刀的胶辊;F浸胶槽;G浸渍纤维束;H横移导轨;I丝嘴;J旋转芯模或内衬图3㊀传统湿法缠绕工艺示意图在成型工艺上,主要参数有纤维浸胶量㊁缠绕张力㊁缠绕速度和线型选择等,对每种工艺参数合理设置才能得到符合要求的纤维缠绕制品㊂压力容器使用网格理论计算缠绕层结构参数㊂网格理论的关键在于假设忽略树脂的作用,由纤维网络结构承担全部壳体内压,从而使得纤维缠绕压力容器设计更加简单㊂但根据网格理论设计的纤维缠绕层,会在实际制造中产生封头纤维堆积的问题,需要通过螺旋缠绕角度和纤维铺层顺序来优化纤维缠绕层厚度的分布和整体承载能力㊂纤维缠绕在芯轴或内衬上的路径决定了纤维在压力容器上的取向,树脂所受载荷和纤维张力影响纤维的体积含量,缠绕张力的合理控制可以充分发挥纤维性能和增大纤维应力㊂测地线轨迹缠绕线型的螺旋向纤维缠绕角α需要和测地线缠绕角的大小相等或接近㊂从封头段结构的强度方面分析,如果螺旋纤维缠绕角过小,则会破坏等张力封头其纤维受力的理想状态;如果缠绕角过大,则会使环向纤维层数增多,进而使封头段缠绕纤维出现堆叠㊁架空㊁滑移现象,不能发挥纤维的高强度㊂其次,缠绕线型在封头接口处应减少纤维与极孔相切次数,以避免封头部位出现纤维堆叠㊁架空现象,影响封头段强度㊂头部包角β通常选择在160ʎ~180ʎ之间,以避免出现缠绕时纤维打滑的现象㊂由缠绕层总厚度㊁纤维拉断强度和柱段部分半径影响压力容器的极限承载能力㊂缠绕角度对复合材料压力容器的性能影响较大,缠绕角的增加,对79纤维复合材料2024年㊀封头强度的提升和壳体质量减少都有用㊂缠绕角越大,封头越厚,重量越小㊂在满足极孔切根缠绕和纤维不打滑的前提下,对缠绕机缠绕角进行调整或者增加极孔半径,能得到强度高和质量轻的产品㊂5㊀CFRP压力容器制备本文选用与东丽T700同等级别的国产碳纤维-拓展CCFT700S为增强材料,以环氧树脂为基体材料,以氯化丁基橡胶为内衬制备国产碳纤维复合材料压力容器㊂压力容器的底座㊁接嘴和耳片采用金属材料,芯模采用预制可溶性芯模,结构示意图如图4所示,制备的CFRP压力容器为单极孔柱形结构,总长350mm,外径140mm,重量不超过1.5kg,爆破压强ȡ60MPa㊂图4㊀压力容器结构示意图金属接嘴和底座通过氯化丁基橡胶包覆粘接,固定在预制可溶性芯模上,形成完整内衬层㊂采用湿法缠绕成型工艺进行复合材料结构层成型,按照缠绕机电脑程序设定的线型,将浸胶纤维缠绕在内衬上,耳片和复合材料结构层一体成型㊂压力容器柱段部分的主应力方向为环向和纵向,当缠绕纤维的方向为主应力方向时,纤维的高强性能可以得到充分发挥,因此在柱段部分增加环向纤维缠绕以满足强度设计要求㊂缠绕结束后进行加压固化成型,溶解可溶性芯模㊂制备工艺流程如图5所示㊂根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计纵向缠绕角为9ʎ㊁11ʎ㊁13ʎ㊁15ʎ和20ʎ㊂纵向缠绕层厚度为1.7mm,环向缠绕层厚度为2.3 mm,复合材料层总厚度为4.0mm㊂用拓展CCFT700S进行湿法缠绕成型,缠绕张力控制在30 Nʃ5N㊂所制备的CFRP压力容器重量为1.45kg,容积为4.1L㊂压力容器的水检检测压强为37.50~ 0.5MPa,稳压10min无渗漏;气密检测压强为30+0.5MPa,5min内无气泡㊂将压力容器充水至60 MPa压力下保压3min,未破裂,满足爆破压力设计要求,继续升压至78MPa时气瓶在后封头位置处爆破,极限承载能力为78MPa㊂CFRP压力容器设计满足技术要求,并成功验证了国产碳纤维-拓展CCFT700S在CFRP压力容器上的应用可行性㊂图5㊀CFRP压力容器制备工艺流程6㊀结语复合材料压力容器轻质高强㊁刚度高,能承受高压气体,易于携带㊂可根据工程设计软件灵活设计缠绕程序,满足对不同的功能需求和设计要求下的纤维缠绕角㊁铺层厚度以及材料性能的参数优化,生产周期短㊂基体材料可以通过裂缝和其他形式的损伤吸收能量,纤维层局部失效不会导致其快速失效,安全性高㊂目前,我国与国外同等级别的碳纤维可以满足复合材料压力容器的设计指标要求,产业链原材料端更为健全㊂通过不断优化改进现有的纤维缠绕工艺,细化和完善检测标准,推动复合材料压力容器成型工艺研究向着仿真与制造一体化㊁整瓶优化㊁高性能和低成本化方向发展,能够加快中国能源结构优化㊁低碳化和可持续化,推动 碳中和 终极目标早日实现㊂参考文献[1]白文怡,廖英强,刘勇琼,等.碳纤维复合材料缠绕气瓶优化研究进展[J].炭素,2020(01):36-41.[2]沈功田.金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用[J].中国特种设备安全,2016,32(07):1-5.89㊀1期复合材料压力容器的研究与制备[3]ATILHAN S,PARK S,EL-HALWAGI M M,et al.Green hy-drogen as an alternative fuel for the shipping industry[J].Current Opinion in Chemical Engineering,2021,31100668. 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复合材料的耐磨性与应用
复合材料的耐磨性与应用嘿，咱们今天来聊聊复合材料的耐磨性和它的那些神奇应用！先来说说啥是复合材料哈。
简单来讲，复合材料就是把两种或者更多种不同的材料，像是金属啦、塑料啦、陶瓷啦等等，按照一定的方式组合在一起，形成一种新的材料。
这种材料可不得了，往往能兼具多种材料的优点，变得超级厉害！就拿耐磨性来说吧，我给您讲个事儿。
有一次我去一个工厂参观，看到工人们正在使用一种新型的复合材料制造的零部件。
那是在一个大型的机械加工车间，机器轰鸣，各种零件在生产线上快速流转。
其中有一组零件特别引人注目，它们是用一种碳纤维增强的复合材料制成的。
我好奇地凑过去看，发现这些零件的表面光滑得就像镜子一样，没有一丝磨损的痕迹。
负责那片区域的师傅告诉我，以前用传统材料制作的这些零件，没过多久就会出现磨损，需要频繁更换，不仅麻烦还增加了成本。
但是自从用上了这种复合材料的零件，使用时间大幅延长，耐磨性那叫一个强！机器的运行效率也提高了不少。
那为啥复合材料的耐磨性这么牛呢？这就得从它的内部结构说起啦。
复合材料就像是一个团队，不同的材料在里面各司其职。
有的材料负责增强硬度，有的负责增加韧性，还有的负责提高抗磨损的能力。
它们相互配合，共同抵抗外界的磨损和破坏。
比如说，在一些复合材料中，会添加一些细小的陶瓷颗粒。
这些陶瓷颗粒就像一个个坚强的小战士，分布在材料内部。
当外界的摩擦力来袭时，它们挺身而出，承受住大部分的磨损，保护了材料的主体结构。
再比如，有些复合材料会采用特殊的纤维增强结构，就像是在材料内部织了一张坚固的网。
这张网能够有效地分散和承受外力，减少磨损对材料造成的伤害。
那复合材料的耐磨性在实际生活中有哪些应用呢？这可多了去啦！在汽车领域，很多高性能的汽车零部件都采用了复合材料。
比如说刹车片，传统的刹车片在长时间使用后容易磨损变薄，影响刹车性能。
但是用了复合材料的刹车片，不仅耐磨，而且制动效果更稳定，大大提高了行车的安全性。
还有飞机制造中，飞机的机翼、机身等部位也会用到复合材料。
复合材料热压罐
复合材料热压罐复合材料热压罐是一种用于制造复合材料制品的设备，它在复合材料工业中扮演着至关重要的角色。
复合材料热压罐通过高温和高压的作用，将树脂和纤维材料进行热压固化，从而制造出具有优异性能的复合材料制品。
本文将对复合材料热压罐的结构、工作原理以及应用领域进行介绍。
首先，复合材料热压罐通常由压力容器、加热系统、压力系统、控制系统等部分组成。
压力容器是承受高压的部件，通常由高强度的材料制成，以确保在高压下不会发生变形或破裂。
加热系统用于提供热能，将树脂加热至固化温度，同时也可以对整个罐体进行加热，确保整体温度均匀。
压力系统则用于提供所需的压力，确保树脂和纤维材料在高温高压下能够充分固化。
控制系统则起到监测和调节各个参数的作用，确保整个工艺过程的稳定和可控。
其次，复合材料热压罐的工作原理是将预先铺设好的纤维材料与树脂材料放置在模具中，然后将模具放入热压罐中，通过加热系统将树脂加热至固化温度，同时通过压力系统施加高压，使树脂充分渗透纤维材料并固化，最终得到所需的复合材料制品。
整个工艺过程需要严格控制温度、压力和时间等参数，以确保制品的质量。
最后，复合材料热压罐在航空航天、汽车制造、船舶制造、建筑材料等领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料制品具有高强度、轻质的特点，能够满足飞机和航天器对材料性能的苛刻要求。
在汽车制造领域，复合材料制品可以有效降低汽车的整体重量，提高燃油经济性和安全性。
在船舶制造领域，复合材料制品具有耐腐蚀、抗海水侵蚀的特点，能够延长船舶的使用寿命。
在建筑材料领域，复合材料制品可以替代传统材料，具有更好的耐候性和抗冲击性。
综上所述，复合材料热压罐作为复合材料工艺中的关键设备，具有重要的意义。
它的结构和工作原理决定了其在复合材料制造中的不可替代性，同时其广泛的应用领域也证明了其在现代工业中的重要地位。
随着科技的不断进步，相信复合材料热压罐将会在未来发展中发挥更加重要的作用。
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压力容器用复合材料的性能与应用分析
作者：徐丽
来源：《世界家苑》2018年第08期
摘要：当今社会，压力容器在在我们的工业活动中运用上非常广泛，涉及了冶金、机械加工、安全防护、化工、石油、核能、航空等等各行各业中，甚至检验检测上也有用到压力容器。
他是工业上必不可少的一项重要仪器，是衡量一个国家科技发展水平的重要标准。
压力容器的种类也非常多。
针对不同的压力等级，压力容器的作用，可以细分不同的压力容器装备。
由于压力容器具有体积大，危险性高等特殊的特点，从压力容器的制造材质上也是重要的部分，复合材料作为一种新型材料越来越多的被使用在压力容器上，本文从复合材料压力容器的性能和应用上进行剖析，为后续研究此类型材料压力容器提供参考。
关键词：压力容器；制造材质；复合材料
引言：随着压力容器在生产制造中的广泛使用，转变了许多传统行业的发展模式，使得冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术有了质的突破，特别是在一些高新科学智能技术的飞速发展，也带动了相关产业的发展，在激烈的行业竞争中，对压力容器也提出越来越高的要求，以适应时代的发展。
在相同的环境作用力下，压力容器与其他机械比，所具有的危险性更大，压力容器的危险性主要是在技术层面和使用管理维护以及选材上。
材料选取是衡量压力容器质量和性能的关键部分，材料的所具有的机械强度和耐腐蚀性等性能等对与压力容器的使用上也有重要作用。
本文主要从选材的角度来进行分析，以复合材料的优势结合压力容器的特点来进行说明。
1复合材料概念
复合材料是指把两种或两种以上的不同性质的材料进行优化再结合在一起，形成一种新的材料。
通过多种材料的结合，使得性能在原有的基础上再增强。
复合材料主要是金属、聚合物、无极胶囊等。
根据复合材料所结合的不同的材料性能又可以分为，金属复合材料和非金属复合材料以及增强复合材料。
复合材料结合多种材料的优点，在物理和化学性能上都更比单一材料更优越，综合了多种材料结合成一种材料，化学性能更稳定。
物理性能也在一定程度上加强，经过复合材料所制造的压力容器更加轻便，韧度强，刚性复合材料内结合了纤维材料，在结构上更加丰富，以往单一的材料缺少纤维更容易断裂，复合材料综合多种材料物质，其中一个材质纤维断裂后再补上另一材料，使得压力容器能更持久的使用。
复合材料是以金属材料作为基体再结合其他材料，既保证了物体所需要的刚性，又具备了一定的承载力。
2 复合材料压力容器的应力分析
复合材料压力容器主要是指金属与金属复合材料，非金属与非金属复合材料，金属和非金属复合材料在压力容器的特殊受力特点上的不同进行比较。
在复合材料的物理性能方面，他是
层次多面的沿着物体的厚度，每层产生不同性能转化的的非均匀材料。
由于他的变数较大，对研究工作来说较为困难，难于做出准确的判断分析。
复合材料结构的力学分析，所涉及的因素很多，变量也多，难以把控，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，需要采用数值方法。
目前所采用的数值法有：
（1）有限元位移法，这是目前较为准确，有效的数值法，主要是把复合材料压力容器进行剥离，把每个结构进行分开，采用细观察有元法，和每个材料的基体，增强材质分成不同的区域，每个区域再分别进行分析观察技术处理等，在每个区域再划分单元，相同的常数划分在一起分析，不同的再进行离散分析。
从而得到该复合材料压力容器的力学分析。
（2）应力杂交元法。
这种方法是在原来的材质上假定一个单元应力场，再在其的周围建立另一个单元应力场，通过两个单元应力场之间所产生的最小余能原理，求的其中的单元刚度矩形。
这种方法简单易操作，在实际运用中也较多使用。
（3）有限元混元法这是通过部分的节点进行物理作用，产生位移反应，利用位移反应和节点力之间的作用，进行计算，这种计算方法较为简便，误差小，但是所形成的方程解法困难，不利于广泛的运用。
3 复合材料压力容器的失效分析
复合材料压力容器再使用的过程中，容易由于放置过久或者其他因素，而导致复合材料压力容器失效。
目前失效形式有内衬泄漏和复合层爆破两种类型，复合层爆破会形成灾难性事故，释放内部的气体，吸入将对人体产生危害，严重者甚至会导致死亡，一些复合材料压力容器内部甚至有易燃易爆气体，若爆破则会导致附近也产生一定规模的爆破，后果不堪设想。
而内衬层泄漏主要是由于腐蚀影响，外层复合材料断裂则是由于存在缺陷导致强度不足引起的。
由于材料本身的承载力有限，随着时间过长，多次使用磨损，容易让容器承载力遭到破坏。
或者由于在使用的过程中，产生挤压碰撞，导致内部结构性能错乱，纤维断裂，性能造成破坏。
或者由于内部受到腐蚀作用，造成内衬泄露，长期腐蚀导致内衬出现缺陷而泄露，这些因素都是复合材料压力容器失效的原因之一。
4 复合材料在压力容器中的应用
4.1 内压容器各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器，一般是在内衬材料，如Al、Ti、不锈钢外缠绕复合材料，目前这种金属内衬复合材料广泛用于航天器、汽车、军用飞机等方面。
4.2 外压容器
海洋的勘测开发、科学研究及水下武器装备都离不开潜水外压容器，尤其是大深度的潜水装备，对外压容器材料提出了更高的要求。
碳纤维复合材料强度高、模量大、密度小、尺寸稳定性好、线膨胀系数低，另外，还具有优异的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂腐蚀特性，适用于
做大深度的潜水外压容器，如法国的海鳝鱼雷壳体采用碳纤维复合材料，该鱼雷的最大潜水深度超过 100m。
目前最常用的潜水外压容器壳体材料是铝合金。
据报道，采用碳纤维复合铝合金后壳体耐压强度提高 9%～29%，这对于提高壳体的耐静水外压能力，增加潜水深度有明显效果。
结束语
复合材料近年都得到很多突破，在机械制造上的强度、耐腐蚀性和复合材料的质量轻便上，都有很大的进步，且复合材料是人体设计加工制造而成，能够有效的满足当前的生产生活需求，给制造和生产都带来的极大方便。
但是由于目前复合材料压力容器是新型科技发展的新成果，仍處于刚刚起步的阶段，还没有成套的理论分析，对复合材料压力容器的内部结构变化尚不能做明确分析，在技术层面上也不能和科技发达的国际相提并论，在设备和经济成本上还有很大不足点，在以后的拓展复合材料压力容器应用范围的同时，应加强复合材料压力容器的基础研究，在设计和技术上不断的完善整改，取得更大的进步。
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（作者单位：江苏永盛传热科技有限公司）。