碳纤维应用于压力容器的优点分析

  高压容器主要用于航空航天器、舰船、车辆等运载工具所需气态或液态燃料的储存,以及消防员、潜水员用正压式空气呼吸器的储气。为了能在有限空间内尽可能多地存储气体,需对气体进行加压,因此,需提高容器的承压能力,对容器进行增强,以确保安全由于压力容器特殊受力情况,复合材料压力容器与传统的钢制压力容器相比,具有以下典型优点:

  1、质量轻。传统的高压容器多为钢制金属容器,因金属强度有限,要提高容器工作压力,必须增加容器厚度,这就使得容器质量增加。而复合材料压力容器,是由很薄的金属合金内衬或者非金属内衬,外面再缠绕纤维构成。增强纤维密度很小(1.5-2.1g/cm3)、强度很高(抗拉强度可达几千兆帕)大大减轻了容器质量。

  2、抗爆、可监控。传统单层结构压力容器无法实现容器储存介质泄漏自动处理与在线安全状态自动监控,裂纹一旦出现,就会不断扩展,引起容器爆炸。而复合材料压力容器是多层结构,尽管内衬存在裂纹扩展,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。此外,可以对重要的复合材料压力容器设计安全监控系统,内衬泄漏介质后,外层在线安全状态自动监控装置及时自动报警, 避免事故发生。

  3、易制造、成本可调。单层结构压力容器“厚板卷焊”,特别是“简节锻焊”制造技术,其制造成本高且生产效率低,隐藏和萌生的腐蚀、疲劳等裂纹缺陷也难以避免。而复合材料压力容器单层不要求很厚,焊接量很少,且容易。碳纤维专用的缠绕机床缠绕,机械化程度高。碳纤维另一优点是成本可调,它的成本主要取决于纤维材料性能的好坏。对一些性能要求不高的产品,可以采用相对便宜的纤维材料。

  4、容器结构设计灵活。单层厚壁容器结构设计灵活性小,其抗冲击能力也不好。而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,满足各种应用需求,并且可以在内层、外层和层间设置在线安全状态自动监控装置或者阻隔辐射等某种特殊功能的装置。 综上所述,复合材料压力容器因其综合性能优良,广泛应用于各领域,对其进行深入研究必将促进国家的经济发展。

  当前,各国正积极开发轻质高压储氢容器,从钢制储氢容器、金属内衬纤维缠绕增强储氢容器到全复合纤维缠绕储氢容器,都想通过减轻容器质量来减轻容重,提高容器工作压力来提高储氢密度,从而满足工业发展的需要。