纤维缠绕复合材料气瓶研究进展

第39卷第4期2012年8月

Vol.39，No.4

Aug.2012

应用科技

Applied Science and Technology

收稿日期：2012-01-10.

作者简介：

徐君臣（1987-）,男，硕士研究生，主要研究方向：复合材料压力容器，E -mail ：jzyin@.

doi ：10.3969/j.issn.1009-671X.2012.04.014

纤维缠绕复合材料气瓶研究进展

摘要：纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点，已经成为研究的焦点.文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展，并进行了归纳总结，主要内容包括：纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计.通过对比发现，Tsai-Wu 失效准则预测的失效压力与实验值最接近.提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施，对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用.最后指出了未来研究的重点.

关键词：复合材料气瓶；纤维缠绕；失效准则；失效模式；优化设计中图分类号：TQ 053.2

文献标志码：A

文章编号：1009-671X （2012）04-0064-08

Progress in filament -wound composite gas cylinders

Abstract ：Filament -wound composite gas cylinders have become a research focus because they exhibit many

advantages such as high strength -density and stiffness -density ratios ，and excellent resistance to fatigue and corrosion.This paper summarizes the progress in filament -wound composite gas cylinders at home and abroad.The domestic and abroad standards ，the main factors that should be considered in manufacturing process ，failure criteria ，failure mode and optimal design of filament -wound composite gas cylinders are discussed here.By comparison ，it was found that the Tsai -Wu failure criterion leads to most accurate failure pressure among all failure criteria.Some measures are put forward to prevent the failure of composite gas cylinders and it is of great significance to improving composite gas cylinders safely.The focus of future research is summarized finally.Keywords ：composite gas cylinders ；filament wound ；failure criterion ；failure mode ；optimal design

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（compressed natual gas ，CNG ）和H 2等，代替柴油和汽油；但这些清洁燃料需要使用压力容器.一般使用钢制气瓶，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

）复合材料中的大量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

）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.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

徐君臣，银建中

大连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024

XU Junchen ，YIN Jianzhong

School of Chemical Machinery ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，China

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（Kevlar）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：1）天然气、氢气等燃料汽车的燃料气瓶；2）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；（3）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.

1复合材料气瓶标准

国际上对于复合材料气瓶没有统一的标准.目前使用较多的标准有美国制定的DOT-CFFC《铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求》，气瓶的最大水容积≤90.7L，工作压力≤34.5MPa.美国国家标准所（ANSI）于1992年8月首次出版了NGV-2天然气汽车储气瓶标准，该标准包括了金属环向缠绕、金属内胆全缠绕、非金属内胆全缠绕.对非金属内胆全缠绕，玻璃纤维的安全系数是3.5，芳纶纤维是3.0，碳纤维是2.25.1989年ISO/TC58/WG17也着手《车用压缩天然气气瓶》国际标准的制定工作，于1992年提出标准草案，经过多次修改，ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》现已被中国在内的世界上大多数国家认可，标准第1版已于2000年9月正式颁布，它包括CNG-1金属气瓶、CNG-2金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4塑料内胆全缠绕气瓶.此标准是在过去20年来各国经验的基础上制定的，因此目前国内车用压缩天然气气瓶也参考该标准.国际标准化组织ISO 于2002年批准了纤维缠绕复合气瓶标准——

—ISO 11119《复合结构气瓶-规范和实验方法》.该标准主要包括环向缠绕复合气瓶、承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶、非金属内胆和不承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶.此标准适用于容积450L 以下的容器，用于储存和运输压缩气体和液化气体，其水压实验压力≤65MPa.缠绕的纤维可为碳纤维、玻璃纤维、有机纤维或其混杂，但对环向缠绕标准中规定也可采用钢丝缠绕进行周向加强.关于碳纤维复合气瓶主要的欧洲标准是英国HSE-A1-FW2以及欧洲大陆已批准的衍生版本——

—欧洲标准化技术委员会（CEN）编制的复合气瓶规范EN12245-2002《可运输气瓶-全缠绕复合材料气瓶》，以及EN 12257-2002《可运输气瓶-无缝环向缠绕复合材料容器》等.我国关于纤维缠绕复合材料气瓶的标准比较少，很多企业都参考国外标准，通过消化吸收国外先进技术和标准，制定了企业内部的标准.我国参考国外的标准以及实际的生产和使用经验制定了GB24160-2009《车用压缩天然气钢制内胆环向缠绕气瓶》.该标准适用于设计、制造，公称工作压力为20MPa或25MPa，公称水容积为30~450L，工作温度为-40~65℃，设计使用寿命为15a的缠绕气瓶.该标准还给出了试验方法和检验规则等.内胆需要进行的试验项目有底部密封性试验、拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、金相检查、底部解剖、无损检测、水压爆破试验等；缠绕气瓶需要进行的试验项目有缠绕层层间剪切强度试验、缠绕层抗拉强度试验、缠绕层外观试验、水压试验、水压爆破试验、气密性试验、常温压力循环试验、极限温度压力循环试验、加速应力破裂试验、枪击试验、火烧试验、裂纹容陷试验、酸环境试验、未爆先漏试验、高温蠕变试验等.而我国至今还没有关于全复合材料CNG 车用气瓶的技术标准.为此，应在有关厂家生产实践的基础上，参照国外先进标准以及国内使用特点，尽快制定出此类气瓶的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.

2复合材料气瓶的制造

复合材料气瓶的纤维增强层主要的作用是承受压力，所以纤维层对复合材料的力学性能有很大的影响.在制造复合材料气瓶时纤维增强层主要考虑的因素有气瓶的缠绕张力、铺层顺序、缠绕角度、缠绕厚度、纤维缠绕的线型等.

复合材料气瓶在缠绕制造过程中需要对纤维施

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