碳纤维缠绕压力容器结构及制造工艺

冯中涛　丁天霖

摘  要：纤维复合材料具有各向异性的特点并且在制造成型上具有多选择性，纤维缠绕压力容器和传统压力容器都有自己的结构和制造过程具有一些共同的特征。纤维缠绕压力容器按外形分类有圆柱形、球形、矩形、环形四种。本文基于碳纤维缠绕压力容器实际情况，对其结构及制造工艺进行论述。

关键词：碳纤维;结构;制造工艺

随着先进复合材料的研制以及计算机技术的应用，轻量化、高强度、高性价比、节能减排已成为复合材料气瓶研制的主要课题，基于此角度，本文就碳纤维缠绕压力容器结构及制造工艺作如下研究分析。

一、碳纤维缠绕圆柱形压力容器结构

本文研究模型为圆柱形碳纤维缠绕压力容器，它由铝合金内衬，纤维增强层，纤维外缠绕层和防撞层四个部分组成。

1.防撞层

防撞层是当容器在外力作用于表面时起到保护增强纤维的作用，避免出现损坏。具有吸附冲击能量，避免载荷集中单一区域，起到保护作用。通常选择具有重量轻和良好的隔热性、抗冲击性的材料。工程上一般选用聚氨脂泡沫等无机或有机材料。

2.外保护层

外保护层的作用是预防纤维增强层受到外部的物理性打击，如撞伤、割伤等。

3.纤维增强层

该层采用碳纤维与环氧树脂复合制成。环氧树脂其物理性质特点，较优异的力学性能和与纤维粘结时综合性能突出。并且工艺上很成熟，耐腐蚀性和耐环境气候性能佳，绝缘性和稳定的尺寸，被广泛应用于其它各类型缠绕压力容器中。

4.金属内衬

金属内衬的作用是：第一，作为缠绕芯模，提供外部接口和缠绕层的载体;第二，密封介质，防止泄漏;第三，承担较小的载荷。金属内衬的材料需与介质能够相容，并且还需具有良好延伸性及防腐蚀性能。

二、纤维缠绕基本线型

纤维缠绕压力容器的缠绕线型主要有螺旋缠绕、环向缠绕和纵向缠绕三种。

1.环向缠绕线型

环向缠绕线型的主要缠绕流程：绕丝头沿内衬轴向均匀移动，内衬作回转运动，使纤维均匀完整的绕好全部内衬筒身段。环向缠繞其工艺特点是无法在封头缠绕，因此只有筒体作纤维缠绕，其缠绕角度小于90°。在保证容器强度的前提下必须充分发挥纤维的单向强度的作用。鉴于环向缠绕线型具有天然的局限性，压力容器轴向方向没有加强，因此本文中碳纤维缠绕压力容器是环向缠绕和螺旋向缠绕相结合的方式。

2.纵向缠绕线型

纵向缠绕线型缠绕主要流程：内衬作回转运动，绕丝头沿着轴向水平面作圆周运动。其缠绕的角度范围在25°以内，纤维缠绕轨迹是平面封闭圆。

3.螺旋缠绕线型

也称为测地线式缠绕线型。缠绕过程：绕丝头度沿内衬轴线方向作往复移动，容器内衬作回转运动。缠绕角度在17°左右。相邻纤维间相接但不相交，保证极孔圆周上的每个切点均有一条纤维。

三、内衬与纤维缠绕制造工艺

1.内衬制造工艺

（1）焊接成形

焊接成形工艺：主要包括划线、下料、刨边、卷圆、焊接等工序。主要不同在于铝合金的焊接技术比碳钢在工艺上更难，焊接质量要求不能满足，难以达到工艺要求，同时通常铝制品容器焊接后没有热处理。

（2）旋压成形技术

旋压成型工艺流程：挤压成形、闭合、热处理、化学抛光、机械精加工等工艺组成。例如，使用化学、物理性能达标的铝合金基材，剪切制成薄片，经表面裂纹检测合格后拉压成形，再经表面抛光，二次测量及清洁处理，最后端口旋压闭合。在缠绕纤维前还需仔细清洁内衬的里外表面，并在内衬外表面上贴上胶膜，使复合层与内衬具有良好的粘结界面，并防止出现电腐蚀等不良现象。

2.碳纤维缠绕工艺

碳纤维缠绕工艺流程：依次进行浸胶、加热、缠绕、固化BL碳纤维。工作过程为：附着在张力器上的碳纤维穿过浸胶槽浸胶后，绕丝嘴按设定的缠绕线型缠绕到内衬容器表面上，内衬容器安装于主轴上，由主轴来驱动。浸胶有表面带胶式浸胶和沉浸式浸胶两种工艺。

由于基体多使用热塑型树脂，所以热塑性缠绕、湿法缠绕和预浸纤维缠绕都需加热处理固化。加热器的目的是使纤维软化，达到纤维材料粘结良好的目的，其温度一般控制在100°C以内。而对部分热塑性缠绕加热温度要求更高时，可直接选用微波加热法或者激光加热法，能够严格控制温度保证加热效果。按照基体材料的不同分类，成型工艺还有：湿法、干法和半干法三种工艺方法。

综上所述，本文介绍了容器内衬结构的外形类型和纤维缠绕制造工艺过程，并说明了容器内衬及纤维层制造所需材料的性能指标等。通过对缠绕制品的成型工艺及制造过程，阐述了纤维缠绕的基本原理。分别说明了三种缠绕工艺和缠绕线型特点和缠绕张力对缠绕成型质量的影响。

参考文献

[1]YUNUSA Mujaheed，祖磊，TAPA Arnauld Robert.铝内衬碳纤维复合材料压力容器非测地线缠绕与强度分析[J].玻璃钢/复合材料，2019（12）：54-61.

[2]杨斌，胡超杰，轩福贞，万云，杨康，肖飚.多壁碳纳米管界面传感器及其在纤维缠绕压力容器原位监测中的应用[J].复合材料学报，2020，37（02）：336- 344.DOI：10.

[3]舒明杰，祖磊，王继辉，李书欣，吴维清，胡海晓.内衬材料性能对碳纤维缠绕压力容器的轴向残余变形的影响[J].玻璃钢/复合材料，2016（01）：5-9.

[4]杨帆. 金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析[D].浙江大学，2010.