纤维缠绕复合材料气瓶的发展情况
在压力容器中,中低压容器一般以板焊结构为主,而高压容器则出现多种结构:单层结构有整体锻造式、锻焊式、厚板卷焊式、电渣重熔式;多层结构有层板包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体包扎多层式;缠绕结构有绕丝式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式和型槽绕带式。但这些结构都是指金属材料而言,单台压力容器重量根据容积大小和压力高低,重的甚至可达数千吨。而高压气瓶过去制造和使用的主要是金属材料即钢质和铝质的,按制造方法分有冲拔拉伸(E法)、管材收口(M法)以及冲压拉伸(C法)等。
随着材料科学和制造工艺技术的进步,由于气瓶为移动式容器,为了减轻气瓶的重量,同时又能承受较高的压力,也出现了在金属或非金属材料内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶,即复合材料气瓶。复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸器(如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系统等)及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域,也可用于某些压缩气体和液化气体及其混合物。现就纤维缠绕复合气瓶的发展作简要说明。
复合材料气瓶的发展
复合材料气瓶的发展始于20世纪50年代,是基于火箭发动机复合材料机壳技术。早期的复合气瓶是用玻纤浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上,虽然其重量比钢质轻,但由于玻纤较低的抗应力断裂及静态疲劳能力,以及气体渗透率较大,因此需要采用较高的安全系数。
20世纪60年代开始使用金属内胆,如果内胆足够厚,允许纤维全缠绕或环缠绕增强。复合气瓶采用金属内胆的渗透率比橡胶内胆的低得多,但内胆的疲劳寿命却受到限制,薄壁内胆可在100―1000次循环产生开裂到泄漏,而厚壁内胆可在10000―30000次循环产生泄漏。
复合材料容器和气瓶早于20世纪50年代和60年代用于国防和航天,这些容器或气瓶用于军用飞机的喷射系统,紧急动力系统和发动机重新启动应用系统,它们也用于航天试验室的氧气罐和导弹系统的压力源。每一航天飞机都用一定数量的复合气瓶作为机舱空气和推进器及控制系统的动力。
20世纪70年代,复合气瓶在商用系统大大增加,玻纤和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上,用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气,以及相类似的气瓶用于海军救生筏充气。
四型瓶还可用于海上石油平台张力系统的水力蓄能器。压缩天然气车用瓶成为复合气瓶的主要市场之一。从纤维来说,90年代新材料碳纤维被批准用于气瓶,这是一个重大的发展。
纤维缠绕复合材料气瓶的发展大体如下:
20世纪60年代:用于卫星及航天复合压力容器;
20世纪70年代:美国航空航天技术转向民用商业市场;
美国运输部批准复合材料气瓶:采用玻纤和可夫拉(Keular)纤维生产环缠绕气瓶。
20世纪80年代:其他有关批准复合材料气瓶用于商业市场,呼吸器成为复合材料气瓶的大市场。
20世纪90年代国际标准化组织(ISO)和欧洲标准化技术委员会(CEN)以及天然气汽车联盟起草批准复合材料气瓶新标准;定位气瓶性能,允许采用新材料碳纤;批准塑料内胆复合气瓶即四型瓶;压缩天然气车用瓶成为复合气瓶的主要市场之一。








































