碳纤维复合材料缠绕气瓶的优势分析

  随着科学技术的发展复合材料已广泛应用在航空航天、能源化工、海洋工程、生物医药、武器工业等领域.在日益崇尚环境友好的今天燃油汽车的使用导致能源枯竭和城市环境污染已引起全球的关注.各国政府正在采取各种措施来解决这一问题,措施之一就是使用清洁燃料,如压缩天然气和H2等代替柴油和汽油;但这些清洁燃料需要使用压力容器.-般使用钢制气瓶这势必会增加车重、占用货箱的空间以及增加汽车行驶的能耗等.采用纤维缠绕复合材料气瓶代替传统的钢制气瓶能够克服上述缺点,已经成为研究的热点。

  纤维缠绕复合材料气瓶一般由金属内衬、纤维、树脂等组成,复合气瓶内衬内壁直接与介质接触,它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压;因此要求内衬材料具有良好的气密性、耐腐蚀性、耐温和高强度、高韧性等特点。

  常用的内衬材料有铝和塑料2种,纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证气瓶在受力的情况下具有足够的强度、刚度和稳定性.复合材料缠绕层承担绝大部分( 75%~95%)的压力载荷其中纤维是主要的承载体树脂对纤维起粘结作用并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用,因此选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施。

  通常采用高强玻璃纤维环氧树脂或碳纤维环氧树脂和凯夫拉纤维环氧树脂等高性能复合材料.复合材料气瓶一般采用2种分类方法。

  一是按照应用领域分为:天然气、氢气等燃料汽车的燃料气瓶;用于呼吸器系统包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具等;用于航空或航海,主要包括逃生滑梯充气装置和航空吸氧装置等。

  二是按内胆材料和增强材料分类,按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶;还可以按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶芳纶纤维缠绕气瓶等;由于铝内胆具有密封性好抗疲劳性能强循环寿命长稳定性高及质量轻等优点,目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用。

  碳纤维纤维缠绕复合材料气瓶具有以下优点:

   1.气瓶重量轻刚性好、强度高;

2.金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏,而碳纤维复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷又能阻止裂纹的扩展提高了气瓶的断裂韧性;

3.碳纤维复合材料中的大量碳纤维增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时,载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上使整个气瓶在短期内不至于失去承载能力;

4.碳纤维复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片,从而减少或避免对人员的伤害;

5.无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求。