产业研究|碳纤维复合材料压力容器的研究进展

压力容器（pressure vessel）是现代工业中不可缺少的重要设备，主要应用于化学反应、物质分离、气体存储与运输等生产工艺过程。传统的压力容器多是以金属或合金为容器壁制造， 成本和质量较高，结构也比较简单，存在应力分布不均匀、高温与高压耐受性差、耐腐蚀性差等缺陷，难以满足某些特殊工况对压力容器的要求，限制了其在实际生产过程中的应用。因此，以碳纤维复合材料压力容器（ carbon fiber composite pressure vessels）为代表的新型复合材料压力容器受到了广泛关注。

碳纤维复合材料压力容器具有安全可靠性高、使用寿命长、承压能力大等特点，在航空航天、医疗、新能源汽车等领域的应用前景较为广阔。近年来， 科研人员围绕碳纤维复合材料压力容器的结构设计、性能优化、损伤及检测等方面进行了大量的理论与试验研究。本文中首先简单阐述了碳纤维及其复合材料，然后介绍碳纤维复合材料压力容器，重点总结和讨论了碳纤维复合材料压力容器的最新研究概况，最后对研究前景进行了展望。

1 碳纤维及其复合材料

碳纤维是通过沿轴向堆砌的有机纤维碳化及石墨化获得的类石墨聚合物材料。碳纤维的基本结构单元是六角网平面，平面内为由 sp2 杂化碳原子形成的强共价键，而在轴向上具有一定的有序性，然而，各晶面层间相互扭曲，层间的分子作用力较弱。这些结构特点使得碳纤维具有以下特性：拉伸强度和拉伸模量高；密度小，比强度、比模量高；耐高温；优异的润滑性和耐腐蚀性；良好的导电、导热和抗疲劳性能。

复合材料是2种或多种性质不同的材料复合而成，包括不连续增强相和连续的基体。复合材料中各组分材料独立存在，但复合材料的性质却不同于组分的性质。碳纤维可作为增强相与基体材料（如高分子树脂、陶瓷、金属等）制成碳纤维复合材料。其中，碳纤维/环氧树脂、碳纤维/聚醚醚酮等碳纤维增强树脂基复合材料（ carbon fiber reinforced polymer， CFRP）具有低密度、高强度、耐化学腐蚀、便于加工设计等优势，广泛应用于复合材料压力容器的设计制造。

2 碳纤维复合材料压力容器

碳纤维复合材料压力容器的结构主要包括内衬层和碳纤维复合材料层，内衬主要作用为存储、防漏和防化学腐蚀，而复合材料层则是压力的主要承载体。碳纤维复合材料层是由碳纤维及基体组成，其中，碳纤维是增强相，基体则可以起到传递载荷、固化及保护碳纤维材料的作用。将浸过树脂胶液的碳纤维按照特定的方式缠绕到内衬上，经固化、自紧等工序后，便获得碳纤维复合材料压力容器。

自20世纪80年代碳纤维增强铝合金内衬压力容器问世以来，碳纤维复合材料压力容器的研究取得了很大进展，应用也越来越广泛。当前，碳纤维复合材料压力容器主要应用有：医疗呼吸器系统，包括家用及医用氧气呼吸器， 用于消防的自给式正压空气呼吸器及救援用压缩氧气循环式呼吸器等；航空航天领域，包括飞机逃生滑梯充气装置、弹射座椅以及壳体等；新能源汽车领域，包括钢内胆碳纤维环向缠绕钢复合材料气瓶（CNG-2）、铝内胆碳纤维全缠绕复合材料气瓶（CNG-3）、 塑料内胆全缠绕复合材料气瓶（CNG-4）等压缩天然气储气瓶、 高压储氢气压力容器等。

3 碳纤维复合材料压力容器的设计、优化及损伤与检测研究

随着新型复合材料的持续发展，复合材料压力容器的国家制造标准与规范日臻完善，因而其设计理论方法和制造工艺的研究亟需深化。当前，碳纤维复合材料压力容器的研究主要集中在结构设计、性能优化、损伤及其检测研究等方面。

3.1 结构设计

为了提高压力容器的力学性能、缩短制造周期和降低成本，需要根据相关设计理论和标准对复合材料压力容器进行结构设计。Zu等采取非测地线缠绕成型方法设计T800碳纤维复合材料球形压力容器，基于离散函数建立有限元模型，对其应力分布和极限强度进行模拟分析，进一步根据最大应力准则预测其爆破压力并进行试验验证，实验结果与模拟预测一致，为纤维缠绕球形压力容器的设计提供了参考。李长鹏等利用网格理论和有限元模型对碳纤维缠绕超高压前混合磨料罐进行设计，将传统磨料罐的质量降低了80%，且其罐体的受力性能更佳。陈小平等针对高强中模T800碳纤维研究应用较少的现状，采用干法缠绕成型工艺获得不同直径的T800碳纤维全缠绕复合材料压力容器，为高性能T800碳纤维的产业化应用奠定了理论与实验基础。

碳纤维缠绕层是复合材料压力容器主要的压力承载体，较大程度上决定了压力容器的质量高低及其安全性与可靠性，因而其设计至关重要，主要包括缠绕角度、缠绕张力及纤维层厚度等方面。Arhant 等通过比较不同缠绕角度对碳纤维复合材料压力容器受力情况的影响，根据最大应变准则、最大应力准则和Tsai-Wu 失效准则进行失效判定，发现纤维缠绕角度为 51°时压力容器的性能明显优于其他缠绕角度压力容器。Zu 等基于薄膜理论、网格理论以及缠绕原理，采取非测地线缠绕模式对碳纤维缠绕参数进行优化，利用MATLAB对切点数及砂片宽度对非测地线缠绕的影响进行评估，得到最优的缠绕参数，以保证纤维的稳定性和均匀性，最后利用有限元模型分析缠绕参数对内衬和纤维层应力分布的影响并预测爆破压力，实验结果与理论计算一致。

3.2 性能优化

复合材料压力容器的性能优化是在符合相关标准与规范的前提下，建立优化模型，采用合理的方法对目标函数进行优化， 目的是充分发挥碳纤维材料的特性和提高纤维利用率，提高压力容器的综合性能，并减轻压力容器的质量。

复合材料压力容器的自紧处理能够改善内衬的受压状态，降低内衬层的应力，从而可以提高缠绕纤维的利用效率，并提高压力容器的疲劳性能。Son等基于层合板理论，利用有限元模型建立气瓶封头纤维缠绕的轨迹画数，并分析内衬与复合材料层的应力分布，从而确定最优自紧压力。Liao等利用 ABAQUS软件建立有限元模型，得到了合适的自紧压力，进一步考察了自紧处理对基体和纤维损伤演变及其压力-位移曲线的影响，发现自紧在提高压力容器承压能力的同时，并不会对损伤演变行为产生影响。

将玻璃纤维、芳纶纤维等纤维材料与碳纤维材料混杂制成复合材料，可以有效提高碳纤维复合材料及压力容器的性能。Bouvier 等从不同角度考察混杂工艺对碳纤维复合材料对压力容器的影响，在不改变压力容器承压性能（70MPa）的前提下， E-玻/碳纤维混杂压力容器的制造成本低于T700S压力容器，而玄武岩/碳纤维混杂的压力容器则有利于环境保护。Gemi 等以提高混杂复合材料压力容器的损伤容限为出发点，考察了玻璃纤维和碳纤维缠混杂方式对压力容器低速冲击响应的影响，发现碳纤维/玻璃纤维/玻璃纤维的叠加顺序能够提高压力容器的抗冲击能力。

减小复合层厚度、降低质量是提高复合材料压力容器的经济性和降低成本的有效途径。陈潇洒采用两步成型工艺设计了一种高压碳纤维复合材料气瓶，有限元模拟分析表明，与传统气瓶相比，通过两步成型工艺制造的高压气瓶的自紧压力和缠绕层应力更小，从而可以达到延长气瓶的使用寿命和减少铝合金内衬材料用量的目的。Alcantar 等采用遗传算法和模拟退火法对碳纤维缠绕CNG-4气瓶进行优化设计，依据Tsai-Wu 失效准则，以纤维缠绕层厚度、安全系数和惩罚因子为目标函数，在保证气瓶强度的同时，可以将气瓶的质量降低 9.8%~11.2%。

3.3 损伤及其检测

复合材料压力容器的失效包括内衬失效、基体变形与开裂、纤维断裂等方式。压力容器的损伤和失效会给人们的生命和财产安全带来重大威胁，因此，损伤研究成为压力容器领域的研究热点之一。Wang 等基于材料性能衰减准则和内聚元的方法探究碳纤维复合材料气瓶的损伤，利用 ABAQUS 软件中的 UMAT子程序建立渐进损伤模型，模拟复合气瓶的实时承载力和复合材料的失效行为。Halm 等将低压CNG-4气瓶暴露于火中，利用轴对称模型分析气瓶的热机械性能，建立气体泄漏和爆炸的关系并精确预测爆炸时间。Zhang 等运用热重-红外联用技术分析了碳纤维/环氧树脂复合材料的热解行为，发现该复合材料会在180~480℃分解，其分解行为符合四级动力学模型，为复合材料压力容器的火灾风险评估提供了依据。Flanagan 等考察了不同因素对航天领域低温存储容器的碳纤维/聚醚醚酮复合材料的渗透性进行了研究，发现压力和纤维层厚度对未损坏复合材料的渗透性没有影响，而低温损伤样品的渗透速率取决于其微结构的破坏程度。

碳纤维复合材料压力容器可以根据需要在碳纤维缠绕层设置在线安全监控系统，提高安全性与可靠性。Chou 等利用声发射检测技术探测恒压和循环内压下碳纤维复合材料气瓶的损伤，研究发现声发射技术可以有效探测气瓶损伤的开始和积累，恒压下碳纤维缠绕层损伤较高的随机性，这是由碳纤维的随机断裂造成的。Saeter 等将光导纤维嵌入到纤维缠绕层中用以检测压力容器损伤，嵌入的光导纤维可以检测加压过程中复合材料层的应力，根据其产生的后散射光可以确定损伤的位置和程度。Gsior 等以车载CNG-4 复合材料气瓶为研究对象，根据数字图像相关方法和布拉格光纤光栅检测缺口和层离等结构缺陷，其中数字图像相关法有利于光纤检测器的定位，而布拉格光纤则可用来检测整个气瓶的位移和应力分布，使得气瓶设计和使用过程中产生的缺陷被发现。

3.4 其他相关研究

Jeon 等将常规碳纤维和经过高温焙烧的碳纤维分别置于高压氢气中，发现常规碳纤维的拉伸强度离散程度变大、韦布尔模数变小，而经过高温焙烧的碳纤维拉伸强度有所上升，表明碳纤维复合材料压力容器中存储的氢气会对缠绕层碳纤维的机械特性产生影响。Rafiee 等以碳纤维复合材料压力容器爆破压力的随机预测为研究对象，根据不同的失效判据对比分析首层失效现象，然后利用渐进损伤模型预测压力容器的爆破压力，最后使用纤维体积率、缠绕角度、力学与拉伸特性为自由变量模拟制造过程的不确定性，并利用随机模型对碳纤维复合材料压力容器的爆破压力做出预测。与之类似， Harada 等在预测 CNG-3型气瓶爆破压力的研究中，详细分析了碳纤维填料不均匀性引起的应力变化，利用简化的力学模型确定了材料层断裂、碳纤维不均一性以及碳纤维与基质的层离，从而有助于碳纤维断裂的发展和爆破压力预测的数量化。

4 结论与展望

随着碳纤维复合材料的加速发展和成型工艺的完善，碳纤维复合材料压力容器的设计研发也不断成熟， 应用范围日趋扩大，在许多领域展示出良好的应用潜力。然而当前研究也存在着局限与不足，应加强以下几方面研究。

（1）碳纤维复合材料的物理化学特性较复杂，需要深入研究其物化性质、疲劳和断裂力学、寿命评估等基础理论，促进碳纤维复合材料压力容器性能的提升。

（2）内衬与缠绕层界面的分离与破坏是造成压力容器失效的主要原因之一，因此内衬与缠绕层界面处理技术是今后重点的研究方向之一，可以从改善树脂与碳纤维的浸润性、优化内衬与碳纤维中间涂层等方面着手。

（3）轻量化与长寿命是未来压力容器的发展方向，需将理论分析、模拟及优化技术结合，实现碳纤维复合材料压力容器轻量化与长寿命的预期，进一步缩短设计周期， 压缩制造成本，促进碳纤维复合材料压力容器的技术进步和产业发展。

来源：军民两用新材料大会