压力容器用复合材料的性能与应用分析
时间：2020-12-09 20:00:44 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：当今社会，压力容器在在我们的工业活动中运用上非常广泛，涉及了冶金、机械加工、安全防护、化工、石油、核能、航空等等各行各业中，甚至检验检测上也有用到压力容器。他是工业上必不可少的一项重要仪器，是衡量一个国家科技发展水平的重要标准。压力容器的种类也非常多。针对不同的压力等级，压力容器的作用，可以细分不同的压力容器装备。由于压力容器具有体积大，危险性高等特殊的特点，从压力容器的制造材质上也是重要的部分，复合材料作为一种新型材料越来越多的被使用在压力容器上，本文从复合材料压力容器的性能和应用上进行剖析，为后续研究此类型材料压力容器提供参考。
关键词：压力容器；制造材质；复合材料
引言：随着压力容器在生产制造中的广泛使用，转变了许多传统行业的发展模式，使得冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术有了质的突破，特别是在一些高新科学智能技术的飞速发展，也带动了相关产业的发展，在激烈的行业竞争中，对压力容器也提出越来越高的要求，以适应时代的发展。在相同的环境作用力下，压力容器与其他机械比，所具有的危险性更大，压力容器的危险性主要是在技术层面和使用管理维护以及选材上。材料选取是衡量压力容器质量和性能的关键部分，材料的所具有的机械强度和耐腐蚀性等性能等对与压力容器的使用上也有重要作用。本文主要从选材的角度来进行分析，以复合材料的优势结合压力容器的特点来进行说明。
1复合材料概念
复合材料是指把两种或两种以上的不同性质的材料进行优化再结合在一起，形成一种新的材料。通过多种材料的结合，使得性能在原有的基础上再增强。复合材料主要是金属、聚合物、无极胶囊等。根据复合材料所结合的不同的材料性能又可以分为，金属复合材料和非金属复合材料以及增强复合材料。复合材料结合多种材料的优点，在物理和化学性能上都更比单一材料更优越，综合了多种材料结合成一种材料，化学性能更稳定。物理性能也在一定程度上加强，经过复合材料所制造的压力容器更加轻便，韧度强，刚性复合材料内结合了纤维材料，在结构上更加丰富，以往单一的材料缺少纤维更容易断裂，复合材料综合多种材料物质，其中一个材质纤维断裂后再补上另一材料，使得压力容器能更持久的使用。复合材料是以金属材料作为基体再结合其他材料，既保证了物体所需要的刚性，又具备了一定的承载力。
2 复合材料压力容器的应力分析
复合材料压力容器主要是指金属与金属复合材料，非金属与非金属复合材料，金属和非金属复合材料在压力容器的特殊受力特点上的不同进行比较。在复合材料的物理性能方面，他是层次多面的沿着物体的厚度，每层产生不同性能转化的的非均匀材料。由于他的变数较大，对研究工作来说较为困难，难于做出准确的判断分析。复合材料结构的力学分析，所涉及的因素很多，变量也多，难以把控，除了一些特殊的和简单的问题可以采用解析法求解外，其它的问题，需要采用数值方法。目前所采用的数值法有：
（1）有限元位移法，这是目前较为准确，有效的数值法，主要是把复合材料压力容器进行剥离，把每个结构进行分开，采用细观察有元法，和每个材料的基体，增强材质分成不同的区域，每个区域再分别进行分析观察技术处理等，在每个区域再划分单元，相同的常数划分在一起分析，不同的再进行离散分析。从而得到该复合材料压力容器的力学分析。
（2）应力杂交元法。这种方法是在原来的材质上假定一个单元应力场，再在其的周围建立另一个单元应力场，通过两个单元应力场之间所产生的最小余能原理，求的其中的单元刚度矩形。这种方法简单易操作，在实际运用中也较多使用。
（3）有限元混元法这是通过部分的节点进行物理作用，产生位移反应，利用位移反应和节点力之间的作用，进行计算，这种计算方法较为简便，误差小，但是所形成的方程解法困难，不利于广泛的运用。
3 复合材料压力容器的失效分析
复合材料压力容器再使用的过程中，容易由于放置过久或者其他因素，而导致复合材料压力容器失效。目前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，释放内部的气体，吸入将对人体产生危害，严重者甚至会导致死亡，一些复合材料压力容器内部甚至有易燃易爆气体，若爆破则会导致附近也产生一定规模的爆破，后果不堪设想。而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。由于材料本身的承载力有限，随着时间过长，多次使用磨损，容易让容器承载力遭到破坏。或者由于在使用的过程中，产生挤压碰撞，导致内部结构性能错乱，纤维断裂，性能造成破坏。或者由于内部受到腐蚀作用，造成内衬泄露，长期腐蚀导致内衬出现缺陷而泄露，这些因素都是复合材料压力容器失效的原因之一。
4 复合材料在压力容器中的应用
4.1 内压容器各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器，一般是在内衬材料，如 Al、Ti、不锈钢外缠绕复合材料，目前这种金属内衬复合材料广泛用于航天器、汽车、军用飞机等方面。
4.2 外压容器
海洋的勘测开发、科学研究及水下武器装备都离不开潜水外压容器，尤其是大深度的潜水装备，对外压容器材料提出了更高的要求。碳纤维复合材料强度高、模量大、密度小、尺寸稳定性好、线膨胀系数低，另外，还具有优异的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂腐蚀特性，适用于做大深度的潜水外压容器，如法国的海鳝鱼雷壳体采用碳纤维复合材料，该鱼雷的最大潜水深度超过 100m。目前最常用的潜水外压容器壳体材料是铝合金。据报道，采用碳纤维复合铝合金后壳体耐压强度提高 9%～29%，这对于提高壳体的耐静水外压能力，增加潜水深度有明显效果。
结束语
复合材料近年都得到很多突破，在机械制造上的强度、耐腐蚀性和复合材料的质量轻便上，都有很大的进步，且复合材料是人体设计加工制造而成，能够有效的满足当前的生产生活需求，给制造和生产都带来的极大方便。但是由于目前复合材料压力容器是新型科技发展的新成果，仍處于刚刚起步的阶段，还没有成套的理论分析，对复合材料压力容器的内部结构变化尚不能做明确分析，在技术层面上也不能和科技发达的国际相提并论，在设备和经济成本上还有很大不足点，在以后的拓展复合材料压力容器应用范围的同时，应加强复合材料压力容器的基础 研究，在设计和技术上不断的完善整改，取得更大的进步。
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（作者单位：江苏永盛传热科技有限公司）
