浅谈复合材料压力容器

玻璃纤维、有机纤维和碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比模量高、可设计性强等优点，已广泛用于制作各种复合材料压力容器。纤维缠绕压力容器是指采用连续纤维缠绕技术成型的承受压力载荷的薄壁壳体容器，其具有质轻高强、特性系数高、抗疲劳性能好等诸多特点，在水下舰艇、航空航天等重大产品及关键部件中有着广泛应用。 　　纤维缠绕复合材料压力容器一般由金属内衬、树脂、纤维等结构组成。这种压力容器主要有圆筒形、球形、环形和矩形等类型。对于常见的圆筒形压力容器来说，环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种方式为常用的缠绕类型。
　　纤维材料的物理化学性能如声、电、力、热等都可以根据工作环境的要求，通过选择合适的材料和组分以及铺层角度，来达到要求的工作目的，从而满足实际生产的需要。通过合理的设计，纤维强度和刚度在缠绕过程中可以得到大程度的利用，这使得纤维缠绕复合材料压力容器在实际工程中得到了重要的应用。
　　与传统的钢制容器相比，复合材料压力容器优势如下：
　　1、质量轻。复合材料压力容器,是由很薄的金属内衬或者非金属内衬,外面再缠绕纤维构成的，增强纤维的密度小、强度高，大大减轻了容器的整体质量；
　　2、制造方便，成本底。纤维材料如碳纤维成本低廉，与不锈钢等贵重金属相比，采用纤维制造压力容器可以大大降低制造成本，焊接量少且容易，使用专用的缠绕机床缠绕,机械化程度高；
　　3、失效可监控。当纤维缠绕压力容器出现裂纹、纤维断裂等情况时，不会立即爆破，而是发生泄漏，层间会止裂，继而外层仍然起到承压作用,这样就有时间妥善的安全处理；
　　4、可设计性好。复合材料压力容器除了内衬,其它根据功能需要可灵活改变内外层材料的设计,从而满足各种应用需求，并可改变不同的铺设角度来满足容器的工作强度需要。
　　二战以来，纤维复合材料缠绕技术逐步应用于压力容器结构设计中。1945年Yong先采用了纤维缠绕技术制造了火箭发动机筒形外壳，自此这项工艺得到了广泛应用和飞速发展。从20世纪60年代中期开始，我国先后围绕玻璃钢固体火箭发动机壳体、压力气瓶等开展了纤维缠绕技术的研究，并于80年代成功研制出了具有金属内衬的缠绕式高压容器。2013年6月14日实现次飞行的空客A350飞机其复合材料的使用比例高达52%；美国波音787飞机中复合材料的使用量达到了50%；我国的“神舟七号”飞船中，复合材料占所用材料的比例也达到了65%。