碳纤维压力气瓶的应用领域分析

  碳纤维复合材料压力气瓶一般是在金属内衬上,如铝合金、钛合金、高强钢等缠绕高性能碳纤维,从而达到轻质高性能的目地。经过近些年来的发展,碳纤维复合材料压力气瓶已经成为航天航空结构动力系统的关键部件之一,同时由于成本低、周期短、爆破前先泄露的疲劳失效模式等特点,使其在民用领域得到广泛应用。

  1.碳纤维 复合材料压力气瓶在航天领域的应用

  美国sCr22作为薄壁铝合金1碳纤维复合材料压力气瓶的先驱,为航天各系统生产了大量压力气瓶。表8为SCI目前生产的部分碳纤维复合材料压力气瓶的产品性能。MatraMarconi公司和ARDE公司联合为欧洲星2000研制了圆柱形碳纤维/铬镍铁合金复合材料气瓶,容积90L,工作压力31 MPa; Lincoln 公司为深空计划研制了球形T-40碳纤维/5086铝合金复合材料压力气瓶,工作压力34.47 MPa;

  Kaiser公司为氙离子推进系统研制了T1000碳纤维/钛合金锥形复合材料压力气瓶,容积32.5L,工作压力17.24MPa;Brunswick 公司为FS- 1300卫星平台研制了球形T-40碳纤维/6061铝合金复合材料压力气瓶,容积49.11L,工作压力27.58MPa;ARDE公司为DeltaI火箭上面级双组元推进系统研制了I-718内衬T1000碳纤维增强HARF53树脂复合材料圆柱形氦气瓶(23; ATK- _PSI公司为ESA Vega火箭液体推进系统(LPS)和轨道资控系统(ACS)研制了CP-3纯钛内衬T1000碳纤维增强Epon826树脂圆柱形复合材料氦气瓶4。美国“战略防御倡议”(SDI) 计划进一步促进了复合材料压力气瓶的研究与应用,表929为SDI计划应用的碳纤维复合材料压力气瓶。

  现阶段我国碳纤维缠绕金属内衬复合材料压力气瓶的研制和生产能力在航天技术领域均有重要的体现。新一代运载火箭、探月工程、战略防御等航天系统均使用了碳纤维缠绕金属内衬复合材料压力气瓶。

  2.碳纤维复合材料压力气瓶在航空领域的应用

  同全金属气瓶相比较,复合材料气瓶可靠性高、负载工作寿命长,同时具有爆破前先泄漏( LBB)和无高能量冲击碎片的枪击失效模式等特点,使其成功应用于F-84、F-101、F-102、F-106等战机上126。SCI公司为美国军机研制了多种型号的碳纤维/6061-T62铝合金复合材料气瓶(27)。其中安全系数为3的ALT- -531A复合材料气瓶用于轻型轰炸机紧急压缩系统( EPU),工作压力为38.2 MPa;安全系数为2.7的AC-5022A复合材料气瓶用于轻型飞机压缩空气引擎启动系统( PASS),工作压力为34.MPa;安全系数为3的ALT-383A复合材料气瓶用于战斗机能量贮存系统( SES),工作压力为21MPa。目前SCI生产的复合材料压力气瓶已经在B2轰炸机、F22战斗机以及波音777等飞机上得到大量应用。

  中国航空复合材料气瓶的研制始于二十世纪60年代,目前对于碳纤维复合材料压力气瓶的使用在多种型号的军Y飞机上获得成功。但复合材料气瓶在军Y飞机各系统中的应用比重与国外还存在一定差距,目前中国部分复合材料气瓶研制单位技术水平和所研制产品可靠性、安全性能够满足航空军Y飞机用复合气瓶的技术要求。

  3.碳纤维复合材料压力气瓶在民用领域的应用

  碳纤维复合材料压力气瓶在民用领域的应用主要包括:压缩和储运气体用复合材料气瓶、呼吸气瓶、车用压缩天然气气瓶。而目前车用压缩天然气气瓶具有较大的市场份额,应用车用压缩天然气气瓶是替代石油资源的新能源政策,能有效降低汽车的尾气排放所造成的环境污染。

  随着高性能碳纤维的快速发展,碳纤维复合材料压力气瓶的应用领域越来越广。我国在高性能碳纤维的研究方面与国际先进水平存在一定的差距,未来应该大力投人到碳纤维基础性研究,提高碳纤维性能并实现批量生产,同时减少生产成本,将碳纤维复合材料压力气瓶的应用更好的推广到航天航空以及民用领域。