复合材料高压容器的研究和结构设计
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是：
（）在内压容器中，只有纤维承受外载 １ 荷作用，而基体的承载能力忽略不计。 （）纤维只承受纤维轴向载荷， ２ 每根纤
轻质复合材料高压容器的研究和结构设计
维的承载能力相同。 缠绕角为 ａ的网格， 设纤维轴向许用应
价
力为 「 〕 纤维厚度为 ｔ 则环向和纵向纤维 。， ，
与圆筒内的位置无关。其应力、应变计算公式
分别为：
ｐ 二 ｅ ＋ ，ｓ２ Ｒ Ｑｔ ｏｔｉａ ｅ， ｎ
（） ５
Ｒ・“ ｐ『 ’ ２‘ ＝一
（） ３
把， 和， 用 「」 。 ； 。 来代替， 可 即 计算出
环向纤维缠绕层厚度 ：和纵向纤维缠绕层厚 。 度ｔ 将方程组（） ． 。 ３中的两式相加可得式（） ４，
储氢等等。高压储氢田于方便、成本低、产业 化基础好，是 目前最广泛使用的一种储氢方 式。传统的钢制压力容器设计制造成熟、成本
＊ 张雪枫，男，１ ， ９ 年ｓ月生．ｒ ６ 程师。南京市。 １ ｝ ２０ Ｍ
的复合材料具有高比 强度、 高比 模量的特点， 可以保证在提高储氢压力的前提下， 大幅度降
低容器的重量，从而提高容器的储氢密度。
图２ 轻质高压储氢容器的结构 １ 一缓冲层 ２ 一纤维外缠绕层 ３ 一纤维增强层 ４ 一内衬
２２ 设计方法 ． 纤维缠绕压力容器只有纤维增强层承受载 荷作用。为了减少容器质量， 采用等强度方案 设计增强层厚度。先用网格理论设计纤维层厚 度， 然后用弹性力学原理进行强度分析。 纤维缠绕压力容器的环向和纵向纤维强度 以网格理论为基础进行计算。理论的基本假定
于一个单分子层） １ ３ 的Ａ２ ０ 即可使渗透率降低 ４ 个数量级。因此， １ ３ Ａ２ 涂层是很有潜力的。 ０ 在结构材料上形成Ａ２ １３ ０ 可以用化学气相沉积 （Ｖ ） Ｃ Ｄ 方法直接制备， 也可以通过表面铝化
后再进行氧化处理。 因为铝极易与空气中的氧结合，在其表面 生成一层致密的氧化铝薄膜， 这层薄膜化学稳 定性高， 对氢气的渗透有很好的阻挡性能。综 合考虑氢的渗透率、密度、价格因素， 选择铝
此， 本问题是一个空间轴对称问题。
由 可知， 文献〔」 ４ 烧结的Ａ ０ 具有很低 １３ ２
的氢渗透率。同时， 有结果表明， 极薄层（ 少
件下， Ｒ Ｆ Ｃ的疲劳性能一般优于金属。因此 必须降低铝合金的平均应力来提高铝合金的抗 疲劳性能， 这样也提高了ＣＲ 压力容器的抗 ＦＣ 疲劳性能。 为了使最终承压后的应力分布达到预期的 应力分布状态， 须在纤维缠绕时控制一定的预 应力， 使复合材料容器制成后应力水平得以合 理分布和优化：内壁应力可以根据需要大幅降 低， 甚至为压应力，而纤维层基本处于等强度
：ｄ 匕 ．只 侧 幸 聋
｝Ｏ
碳纤维（Ｓ （） Ｈ
ｄ ｊ
硼纤维
比彩 ｑ ｄ ｉ（ Ｈ
江 衬 Ｍ
叭聆 ／ ．
睡 ｝
聚乙烯纤维
（ｏ ） ｐ ｓｏ ｌ 、 、 ／ Ｋｖｒ ｅａ ｌ纤维
纷
／ （ｖｒ） ｅａ９ Ｋｌ ４
（ｌ ｌ ｝ｆ ｕ Ｕｆ
Ｑ 山
１１ 纤维材料［ ．． ２ ［ Ｚ １
必 ｇ ＝ ， ＝４７ａ 须ｔａ ２ 即ａ ５．０ ２
但是结合国内实际加工水平和实际情况， 采用环向缠绕和纵向缠绕（ 或者螺旋缠绕） 相 结合的缠绕方式， 来实现等强度方案， 缠绕角
为ａ ，即
对于内 筒体的径向和周向 衬， 应力只与坐 标ｒ 有关， 将封头对筒体的约束所引起的轴向 应力， 处理成平均应力， ： 则筒体的轴向应变
２ ３
拉伸应变， ％
图１ 各种纤维的应力 一 应变曲线
１１ ． 纤维的 ．． １ ２ 柔韧性和断裂 从图１ 所示的纤维应力 一 应变曲线表明，
各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉
断后纤维的扫描电 镜观察发现， ｅａ９ 仅Ｋｖｒ 纤 ｌ４ 维呈韧性断裂， 断裂前纤维有明显的颈缩， 并 在发生很大的局部伸长后才最终断裂。而碳纤
即在容器直径、工作压力相同的情况下， 根据 网格理论和等强度方案来设计， 纤维层厚度为
常数 ：
对于增强层， 假定在增强层内壁受到内衬 膨胀所产生的均匀内压力的作用。为便于分 析， 仍将封头对增强层的约束所产生的轴向应
力 ，’ ：处理成平均轴向 应力， 其余应力、 应变
２仁（ ・ ＝］“ ｏ‘ ’ 。
成压力容器，它 具有质量轻、防渗漏、耐压能力强等特点； 通过提高储氮压力和减 轻容器重童来提高 储氮密 度， 储氮密 度可达到５ ％以上；设计中改进了纤维缠绕的 预应力分布， 在操作时降低了铝内 胆的平均应力， 提高了 容器的抗疲劳性能和综合
安全性能。 关键询 ０ １ ３言 高压容器 复合材料 破纤维 结构设计
很安全的。
１ 抗疲劳的研究 ． ４ 因为复合材料是由 两种或两种以上的材料 制成的， 所以复合材料的疲劳也是两种或多种 材料的疲劳。这次研究的碳纤维复合材料压力 容器内衬为铝材料， 外面缠绕碳纤维 一 树脂混 合物，所以研究的对象为碳纤维 一 树脂和铝合 金， 压力容器的疲劳寿命是碳纤维 一 树脂和铝 合金寿命的最小值。复合材料设备的疲劳寿命 符合木桶原理。 对金属疲劳的研究较多， 数据和资料也比 较多。试验表明， 平均应力增加时， 在同一循 环次数下发生破坏的交变应力幅下降， 也就是 说， 在非对称循环的交变应力作用下， 平均应 力增加将会使疲劳寿命下降。在相同的试验条
张 Ｏ 力Ｔ和几分 为： 别 Ｔ二 ｅｉａ ｏ ，ｔ Ｚ ｓ ｎ
兀二Ｗｏａ 。ｃ２ ｔｓ
ｐ ＝ ｅｉａ Ｒ Ｏｔ ＇ ｓ ｎ
（） １
当纤维张力和薄膜内力相等时，可得网格 理论基本计算公式：
（）内衬 ａ
（ ）增强层 ｂ
图３ 容器的力学分析模型
寥＝－ｓ ａｃａ ｔ２ ｏ
Ｌ 丫
（） ２
如果只是螺旋缠绕， 要实现等强度缠绕，
低、 灌装速度快、能耗低， 但是主要用在大型
储罐存储，而钢制移动式的高压储氢容器单位 质量储氢密度较小。随着燃料电池的兴起， 移
氢能被认为是 ２ 世纪的主要清洁能源。 １ 氢气是来源丰富、清洁的能源， 是一种二次能
源，是通过一定的方法从一次能源中提取出来 的。它具备以下特点： 原料来源是水， 储量丰
还不如玻璃纤维。在受到太阳光照射时， ｅ Ｋｖ － ｌ 纤维产生严重的光致裂化， ａ ｒ 使纤维变色， ４Ｍ ａ ０ Ｐ 范围内氢气密度的增长很快， 在增加到 机械性能下降。 ７Ｍ ａ 后， ０ Ｐ 以 密度增长的幅度不大［。因此 ３ ］ 比 强度和比模量是衡量纤维性能的一个重 国内 外这类容器的设计压力均定为７Ｍ ａ ０ Ｐ． 要指标。提高比强度和比模量可以在保证容器 １３ 防渗漏的研究 ．
维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂 时不发生截面积的缩小。由图１ 还可以比 较各 种纤维的弹性模量的大小。
器质量， 提高容器的储氢密度。综合比较碳纤 维、芳纶纤维和玻璃纤维， 选择碳纤维作为复 合材料压力容器的纤维材料。 １ 设计参数的选择 ． ２ 轻质高压储氢容器的参数除了常规压力容 器设计需要的参数— 压力、体积、内径等 外， 还有一个重要的参数— 储氢密度。储氢 密度是指储氢系统所储存的氢气质量总量与整 个储氢系统的质量之比值。移动式储氢容器，
（） ４
也只与 ｒ 坐标有关。当不计体力和剪应力的影 响时， 增强层的平衡方程为 ｄ， ａ．
２３ 理论分析 ． 为便于分析， 将纤维缠绕压力容器分为两 个结构，即内衬和增强层两个筒体， 其力学模 型如图３ 所示。 图３ａ是内衬的横截面图，同时受内压 （） ｐ 容器工作压力） （ 和外压凡 的作用；图３ｂ （） 是增强层横截面图，只受内压 Ｐ 的作用。 Ｏ Ｏ Ｐ 是内衬和增强层之间的相互作用力。在分析内 力时， 将内衬和增强层当成厚壁圆筒处理。因
动式的氢气储存气瓶， 对储存容器的重量、 体
积和储氢密度提出了 更高的要求， 传统的钢制 压力容器已经不能满足要求。 轻质高压储氢容器技术是随着复合材料发 展而兴起的一门新兴的交叉学科技术。高性能
富， 用之不竭；燃烧产物也是水， 洁净无污 染； 具有广泛的应用开发潜在价值；易于与电 能、热能、机械能等其它能量形式进行互相转 换。氢能在宇航研究中具有广阔的应用前景， 如火箭发动机、氢内燃机等。在民用工业领 域， 燃料电池（ｃ 近年来发展迅速。氢能的 Ｆ 开发和利用首先要解决的是廉价的氢能源， 其 次是氢能的储运。常见的移动式储氢的方法有 高压储氢、 液化储氢、 金属氢化物储氢、吸附
其对储氢密度的要求一般是 ３ Ｗ％或者更高。 ｔ 国际能源机构确定的未来新型储氢材料的标准 为储氢量应大于５ 并且能在温和条件下 Ｗｔ ％，
吸放氢。美国能源部制订的储氢材料标准是
６ｋ 耐 和６ Ｗ％。因此选择储氢密度为 ５岁 ． ５ｔ
５ 对于高压储氢容器， Ｗ％。 ｔ 压力和氢气的密 度直接相关， 这很大程度上影响储氢密度。通 过对氢气在高压下密度的研究， 发现在３ － ０
１１ ． 热稳定性 ．． ２ ２ 纤维的热稳定性与熔点有关。一般来讲，
材料的熔点越高， 热稳定性就越好。在没有空 气和氧气的条件下， 碳纤维具有非常好的耐高 温性能。尽管块状玻璃的软化温度为 ８００ ５９， 但当温度高于２０ ５℃时，Ｅ玻璃纤维的强度和 模量就开始迅速下降。Ｋｖ ｒ ｅ ａ纤维的热稳定性 ｌ
《 化工装备技术》第２ 卷 第 Ｉ ２０ 年 ８ 期 ０７
轻质复合材料高压容器的研究和结构设计
张雪枫 朱 斌 郑传样 孟 剑
（ 浙江大学）
（ 扬子石油化工股份有限公司）（ 宝钢股份化工分公司）
摘 要 轻质复合材料高压容器的应用 越来越广泛，随着氮能和天然气等清洁燃料
在汽车中的应用，其轻量化和安全性的研究显得特别重要。主要进行高压储氢容器 的研究与结构设计，该结构采用高强度铭合金内 胆、外缠绕高强度纤维复合材料构
轻质高压储氢容器的研究
材料的选择
ＬｌＩ 内 ． 衬材料 内衬主要不承担容器压力载荷的作用，而
是起到储存氢气、密封的作用。因此内衬材料 必须对氢气有很好的抗渗透性，而且必须有很
轻质复合材料高Βιβλιοθήκη Baidu容器的研究和结构设计
好的抗疲劳性。氢渗透会引起以下问题：（） １ 氢气燃料的漏失；（）导致结构材料的氢脆； ２ （）有爆炸的危险。因为塑料内衬存在绕制 ３ 时的变形问题， 所以均采用金属内衬作为氢气 储存的容器。一般金属的密度都比较大， 考虑 到成本、降低容器的重量和防止氢气渗透的问 题， 选择铝合金６６ 作为复合材料压力容器 ０１
整体强度的情况下，减少容器壁厚从而降低容
一般地说， 氢在许多常用金属中都能迅速
（ 化工装备技术》第２ 卷 第 １ ２０ 年 ８ 期 ０７
渗透。渗透系数低的材料往往不能满足对结构 强度的要求。因此在适用结构材料（ 例如不锈 钢或者铝） 表面建立防氢渗透层可以在不损害 材料体性能的前提下， 减少氢的渗透， 是一种 目 前公认较好的解决方法。另一方面， 氢渗透 现象包含了一系列材料科学中有兴趣的问题， 诸如表面吸附与解吸，固体缺陷在扩散中的作 用等等。
纤维层主要承受内 压， 所以必须使用增强 材料。粘结在基体内以改进其机械性能的高强
的 胆〕 内［ １ Ｏ
度材料， 称为增强材料（ ｉｏ ｅｅｔ， ｒｎｒｍｎ 也称 ｅｆｃ ）
为增强体、增强相、增强剂等。复合材料所用 的增强材料主要有三类： 碳纤维、Ｋｖ ｒ ｅ ａ纤维 ｌ （ 也称芳纶纤维） 和玻璃纤维。以下是各种纤 维的比较。
状态， 改善了内 壁受介质和高应力共同 作用的 恶劣环境， 从而解决了 该结构容器安全性、抗
疲劳性和抗应力腐蚀性能不足的问题。
轻质高压储氢容器的结构设计与分析
２ １ ．
容器结构
该容器结 构如图１ ５ ０ 所示［］ ， ６
作为内衬材料。铝及铝合金具有优良的耐腐蚀 Ｊ及导热性能，低温时机械性能 良好，密度 性 小， 且容易进行压制加工。还有， 铝不会产生 电火花，用来制造容器储存易燃、易爆物料是
（）在内压容器中，只有纤维承受外载 １ 荷作用，而基体的承载能力忽略不计。 （）纤维只承受纤维轴向载荷， ２ 每根纤
轻质复合材料高压容器的研究和结构设计
维的承载能力相同。 缠绕角为 ａ的网格， 设纤维轴向许用应
价
力为 「 〕 纤维厚度为 ｔ 则环向和纵向纤维 。， ，
与圆筒内的位置无关。其应力、应变计算公式
分别为：
ｐ 二 ｅ ＋ ，ｓ２ Ｒ Ｑｔ ｏｔｉａ ｅ， ｎ
（） ５
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（） ３
把， 和， 用 「」 。 ； 。 来代替， 可 即 计算出
环向纤维缠绕层厚度 ：和纵向纤维缠绕层厚 。 度ｔ 将方程组（） ． 。 ３中的两式相加可得式（） ４，
储氢等等。高压储氢田于方便、成本低、产业 化基础好，是 目前最广泛使用的一种储氢方 式。传统的钢制压力容器设计制造成熟、成本
＊ 张雪枫，男，１ ， ９ 年ｓ月生．ｒ ６ 程师。南京市。 １ ｝ ２０ Ｍ
的复合材料具有高比 强度、 高比 模量的特点， 可以保证在提高储氢压力的前提下， 大幅度降
低容器的重量，从而提高容器的储氢密度。
图２ 轻质高压储氢容器的结构 １ 一缓冲层 ２ 一纤维外缠绕层 ３ 一纤维增强层 ４ 一内衬
２２ 设计方法 ． 纤维缠绕压力容器只有纤维增强层承受载 荷作用。为了减少容器质量， 采用等强度方案 设计增强层厚度。先用网格理论设计纤维层厚 度， 然后用弹性力学原理进行强度分析。 纤维缠绕压力容器的环向和纵向纤维强度 以网格理论为基础进行计算。理论的基本假定
于一个单分子层） １ ３ 的Ａ２ ０ 即可使渗透率降低 ４ 个数量级。因此， １ ３ Ａ２ 涂层是很有潜力的。 ０ 在结构材料上形成Ａ２ １３ ０ 可以用化学气相沉积 （Ｖ ） Ｃ Ｄ 方法直接制备， 也可以通过表面铝化
后再进行氧化处理。 因为铝极易与空气中的氧结合，在其表面 生成一层致密的氧化铝薄膜， 这层薄膜化学稳 定性高， 对氢气的渗透有很好的阻挡性能。综 合考虑氢的渗透率、密度、价格因素， 选择铝
此， 本问题是一个空间轴对称问题。
由 可知， 文献〔」 ４ 烧结的Ａ ０ 具有很低 １３ ２
的氢渗透率。同时， 有结果表明， 极薄层（ 少
件下， Ｒ Ｆ Ｃ的疲劳性能一般优于金属。因此 必须降低铝合金的平均应力来提高铝合金的抗 疲劳性能， 这样也提高了ＣＲ 压力容器的抗 ＦＣ 疲劳性能。 为了使最终承压后的应力分布达到预期的 应力分布状态， 须在纤维缠绕时控制一定的预 应力， 使复合材料容器制成后应力水平得以合 理分布和优化：内壁应力可以根据需要大幅降 低， 甚至为压应力，而纤维层基本处于等强度
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聚乙烯纤维
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１１ 纤维材料［ ．． ２ ［ Ｚ １
必 ｇ ＝ ， ＝４７ａ 须ｔａ ２ 即ａ ５．０ ２
但是结合国内实际加工水平和实际情况， 采用环向缠绕和纵向缠绕（ 或者螺旋缠绕） 相 结合的缠绕方式， 来实现等强度方案， 缠绕角
为ａ ，即
对于内 筒体的径向和周向 衬， 应力只与坐 标ｒ 有关， 将封头对筒体的约束所引起的轴向 应力， 处理成平均应力， ： 则筒体的轴向应变
２ ３
拉伸应变， ％
图１ 各种纤维的应力 一 应变曲线
１１ ． 纤维的 ．． １ ２ 柔韧性和断裂 从图１ 所示的纤维应力 一 应变曲线表明，
各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉
断后纤维的扫描电 镜观察发现， ｅａ９ 仅Ｋｖｒ 纤 ｌ４ 维呈韧性断裂， 断裂前纤维有明显的颈缩， 并 在发生很大的局部伸长后才最终断裂。而碳纤
即在容器直径、工作压力相同的情况下， 根据 网格理论和等强度方案来设计， 纤维层厚度为
常数 ：
对于增强层， 假定在增强层内壁受到内衬 膨胀所产生的均匀内压力的作用。为便于分 析， 仍将封头对增强层的约束所产生的轴向应
力 ，’ ：处理成平均轴向 应力， 其余应力、 应变
２仁（ ・ ＝］“ ｏ‘ ’ 。
成压力容器，它 具有质量轻、防渗漏、耐压能力强等特点； 通过提高储氮压力和减 轻容器重童来提高 储氮密 度， 储氮密 度可达到５ ％以上；设计中改进了纤维缠绕的 预应力分布， 在操作时降低了铝内 胆的平均应力， 提高了 容器的抗疲劳性能和综合
安全性能。 关键询 ０ １ ３言 高压容器 复合材料 破纤维 结构设计
很安全的。
１ 抗疲劳的研究 ． ４ 因为复合材料是由 两种或两种以上的材料 制成的， 所以复合材料的疲劳也是两种或多种 材料的疲劳。这次研究的碳纤维复合材料压力 容器内衬为铝材料， 外面缠绕碳纤维 一 树脂混 合物，所以研究的对象为碳纤维 一 树脂和铝合 金， 压力容器的疲劳寿命是碳纤维 一 树脂和铝 合金寿命的最小值。复合材料设备的疲劳寿命 符合木桶原理。 对金属疲劳的研究较多， 数据和资料也比 较多。试验表明， 平均应力增加时， 在同一循 环次数下发生破坏的交变应力幅下降， 也就是 说， 在非对称循环的交变应力作用下， 平均应 力增加将会使疲劳寿命下降。在相同的试验条
张 Ｏ 力Ｔ和几分 为： 别 Ｔ二 ｅｉａ ｏ ，ｔ Ｚ ｓ ｎ
兀二Ｗｏａ 。ｃ２ ｔｓ
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（） １
当纤维张力和薄膜内力相等时，可得网格 理论基本计算公式：
（）内衬 ａ
（ ）增强层 ｂ
图３ 容器的力学分析模型
寥＝－ｓ ａｃａ ｔ２ ｏ
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（） ２
如果只是螺旋缠绕， 要实现等强度缠绕，
低、 灌装速度快、能耗低， 但是主要用在大型
储罐存储，而钢制移动式的高压储氢容器单位 质量储氢密度较小。随着燃料电池的兴起， 移
氢能被认为是 ２ 世纪的主要清洁能源。 １ 氢气是来源丰富、清洁的能源， 是一种二次能
源，是通过一定的方法从一次能源中提取出来 的。它具备以下特点： 原料来源是水， 储量丰
还不如玻璃纤维。在受到太阳光照射时， ｅ Ｋｖ － ｌ 纤维产生严重的光致裂化， ａ ｒ 使纤维变色， ４Ｍ ａ ０ Ｐ 范围内氢气密度的增长很快， 在增加到 机械性能下降。 ７Ｍ ａ 后， ０ Ｐ 以 密度增长的幅度不大［。因此 ３ ］ 比 强度和比模量是衡量纤维性能的一个重 国内 外这类容器的设计压力均定为７Ｍ ａ ０ Ｐ． 要指标。提高比强度和比模量可以在保证容器 １３ 防渗漏的研究 ．
维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂 时不发生截面积的缩小。由图１ 还可以比 较各 种纤维的弹性模量的大小。
器质量， 提高容器的储氢密度。综合比较碳纤 维、芳纶纤维和玻璃纤维， 选择碳纤维作为复 合材料压力容器的纤维材料。 １ 设计参数的选择 ． ２ 轻质高压储氢容器的参数除了常规压力容 器设计需要的参数— 压力、体积、内径等 外， 还有一个重要的参数— 储氢密度。储氢 密度是指储氢系统所储存的氢气质量总量与整 个储氢系统的质量之比值。移动式储氢容器，
（） ４
也只与 ｒ 坐标有关。当不计体力和剪应力的影 响时， 增强层的平衡方程为 ｄ， ａ．
２３ 理论分析 ． 为便于分析， 将纤维缠绕压力容器分为两 个结构，即内衬和增强层两个筒体， 其力学模 型如图３ 所示。 图３ａ是内衬的横截面图，同时受内压 （） ｐ 容器工作压力） （ 和外压凡 的作用；图３ｂ （） 是增强层横截面图，只受内压 Ｐ 的作用。 Ｏ Ｏ Ｐ 是内衬和增强层之间的相互作用力。在分析内 力时， 将内衬和增强层当成厚壁圆筒处理。因
动式的氢气储存气瓶， 对储存容器的重量、 体
积和储氢密度提出了 更高的要求， 传统的钢制 压力容器已经不能满足要求。 轻质高压储氢容器技术是随着复合材料发 展而兴起的一门新兴的交叉学科技术。高性能
富， 用之不竭；燃烧产物也是水， 洁净无污 染； 具有广泛的应用开发潜在价值；易于与电 能、热能、机械能等其它能量形式进行互相转 换。氢能在宇航研究中具有广阔的应用前景， 如火箭发动机、氢内燃机等。在民用工业领 域， 燃料电池（ｃ 近年来发展迅速。氢能的 Ｆ 开发和利用首先要解决的是廉价的氢能源， 其 次是氢能的储运。常见的移动式储氢的方法有 高压储氢、 液化储氢、 金属氢化物储氢、吸附
其对储氢密度的要求一般是 ３ Ｗ％或者更高。 ｔ 国际能源机构确定的未来新型储氢材料的标准 为储氢量应大于５ 并且能在温和条件下 Ｗｔ ％，
吸放氢。美国能源部制订的储氢材料标准是
６ｋ 耐 和６ Ｗ％。因此选择储氢密度为 ５岁 ． ５ｔ
５ 对于高压储氢容器， Ｗ％。 ｔ 压力和氢气的密 度直接相关， 这很大程度上影响储氢密度。通 过对氢气在高压下密度的研究， 发现在３ － ０
１１ ． 热稳定性 ．． ２ ２ 纤维的热稳定性与熔点有关。一般来讲，
材料的熔点越高， 热稳定性就越好。在没有空 气和氧气的条件下， 碳纤维具有非常好的耐高 温性能。尽管块状玻璃的软化温度为 ８００ ５９， 但当温度高于２０ ５℃时，Ｅ玻璃纤维的强度和 模量就开始迅速下降。Ｋｖ ｒ ｅ ａ纤维的热稳定性 ｌ
《 化工装备技术》第２ 卷 第 Ｉ ２０ 年 ８ 期 ０７
轻质复合材料高压容器的研究和结构设计
张雪枫 朱 斌 郑传样 孟 剑
（ 浙江大学）
（ 扬子石油化工股份有限公司）（ 宝钢股份化工分公司）
摘 要 轻质复合材料高压容器的应用 越来越广泛，随着氮能和天然气等清洁燃料
在汽车中的应用，其轻量化和安全性的研究显得特别重要。主要进行高压储氢容器 的研究与结构设计，该结构采用高强度铭合金内 胆、外缠绕高强度纤维复合材料构
轻质高压储氢容器的研究
材料的选择
ＬｌＩ 内 ． 衬材料 内衬主要不承担容器压力载荷的作用，而
是起到储存氢气、密封的作用。因此内衬材料 必须对氢气有很好的抗渗透性，而且必须有很
轻质复合材料高Βιβλιοθήκη Baidu容器的研究和结构设计
好的抗疲劳性。氢渗透会引起以下问题：（） １ 氢气燃料的漏失；（）导致结构材料的氢脆； ２ （）有爆炸的危险。因为塑料内衬存在绕制 ３ 时的变形问题， 所以均采用金属内衬作为氢气 储存的容器。一般金属的密度都比较大， 考虑 到成本、降低容器的重量和防止氢气渗透的问 题， 选择铝合金６６ 作为复合材料压力容器 ０１
整体强度的情况下，减少容器壁厚从而降低容
一般地说， 氢在许多常用金属中都能迅速
（ 化工装备技术》第２ 卷 第 １ ２０ 年 ８ 期 ０７
渗透。渗透系数低的材料往往不能满足对结构 强度的要求。因此在适用结构材料（ 例如不锈 钢或者铝） 表面建立防氢渗透层可以在不损害 材料体性能的前提下， 减少氢的渗透， 是一种 目 前公认较好的解决方法。另一方面， 氢渗透 现象包含了一系列材料科学中有兴趣的问题， 诸如表面吸附与解吸，固体缺陷在扩散中的作 用等等。
纤维层主要承受内 压， 所以必须使用增强 材料。粘结在基体内以改进其机械性能的高强
的 胆〕 内［ １ Ｏ
度材料， 称为增强材料（ ｉｏ ｅｅｔ， ｒｎｒｍｎ 也称 ｅｆｃ ）
为增强体、增强相、增强剂等。复合材料所用 的增强材料主要有三类： 碳纤维、Ｋｖ ｒ ｅ ａ纤维 ｌ （ 也称芳纶纤维） 和玻璃纤维。以下是各种纤 维的比较。
状态， 改善了内 壁受介质和高应力共同 作用的 恶劣环境， 从而解决了 该结构容器安全性、抗
疲劳性和抗应力腐蚀性能不足的问题。
轻质高压储氢容器的结构设计与分析
２ １ ．
容器结构
该容器结 构如图１ ５ ０ 所示［］ ， ６
作为内衬材料。铝及铝合金具有优良的耐腐蚀 Ｊ及导热性能，低温时机械性能 良好，密度 性 小， 且容易进行压制加工。还有， 铝不会产生 电火花，用来制造容器储存易燃、易爆物料是