碳纤维复合材料压力容器的失效分析

  通过高性能纤维与树脂基体复合成型的传统树脂基复合材料压力容器具有高比刚度、高比强度、可设计性强和耐腐蚀、疲劳性能好等优点,在航空航天、交通运输、海洋船舶等工业领域得到了广泛应用。

  传统复合材料压力容器的成型多采用纤维浸渍树脂的湿法和预浸带形式的半干法缠绕工艺,由于树脂基体的脆性在冲击载荷作用或低温环境下结构层易发生基体开裂和分层、纤维与基体界面脱粘等失效形式影响气瓶的承载性能。

  复合材料压力容器的失效形式有内衬泄漏和复合层爆破两种类型,复合层爆破会形成灾难性事故。内衬层泄漏主要是由于腐蚀影响,外层复合材料断裂则是由于存在缺陷导致强度不足引起的。复合材料压力容器失效因素包括以下几个方面:

  (1)载荷周期。材料本身性能受载具有一定的周期性,如果载荷太大、时间太长,必然引起纤维破坏,容器失效,因此在设计时要明确其使用周期。

  (2)撞击损伤。由于某些原因引起容器碰撞会引起结构损伤,可能会使纤维断裂,而且一些损伤是不可见的,这些损伤导致承载能力下降,在压力作用下会导致结构断裂。导致纤维断裂碰撞损伤往往在复合层内部而不是表面,如果复合材料和内衬刚度较高则损伤趋向于外表.面层,但次表面层也有可能断裂。因此需要增加刚度和厚度来提高其损伤抵抗性,制造复合材料压力容器时尽量采用螺旋方式缠绕,因为螺旋缠绕方式抵抗损伤能力要高于普通圆环缠绕方式。

  (3)内衬泄漏。内衬泄漏是一种非灾难性事故,但是会影响到生产的流通性和产品质量等。主要是由于容器内部物料的腐蚀作用引起的,长期腐蚀导致内衬出现缺陷而泄漏。

  (4)外界环境作用。压力容器在外界环境中使用时,一些突发性自然因素会引起容器结构损伤,如风载荷、雪载荷等。