复合材料气瓶用增强纤维的发展与趋势
一、复合材料气瓶
复合材料气瓶因具有质量轻、刚度好、容器特性系数高、可靠性高、抗疲劳性能好、负载工作寿命长、爆破前先泄漏的安全失效模式( LBB) 、可设计性强、生产费用低、研制周期短等诸多特点，正在逐步取代传统全金属气瓶在航天、汽车、舰船等领域获得应用。
复合材料高压气瓶一般采用金属内胆/复合材料层的结构，采用纤维缠绕成型工艺，充分利用复合材料可设计性强和质量轻的优点，保证复合材料气瓶在工作压力下“只漏不爆”的安全失效模式，同时，金属内衬保证了气瓶的气密效果，起到支撑的骨架作用。
二、复合材料气瓶应用领域
2.1 航天器气瓶
航天器需要各种气瓶以贮存不同的气体，如卫星飞船推进系统用气瓶、运载系统用气瓶等，复合材料气瓶因其具有优异的综合性能而在航天领域有着非常广阔的应用背景， 是卫星推进系统的关键部件之一。 由于高压气瓶属于易爆危险部件，其性能与质量的好坏、可靠性与安全性的高低直接影响着整个航天器能否成功发射和正常运行。
航天器发射的巨额成本和可能的技术风险促进了气瓶在可靠性、压力容限、贮存寿命等方面的不断进步。国外从 20 世纪 80 年代起，就已经在各类空间系统中广泛使用碳纤维缠绕-金属内衬复合材料压力容器产品，由此产生了巨大的社会效益和经济效益， 并极大地推动了航天技术进步。
2.2 储氢瓶
氢气作为新型清洁能源已经应用于燃料电池汽车。氢燃料电池汽车的供氢系统是汽车的组成部分之一，主要有高压压缩氢气充气、储存、供给、减压、超压释放、安全限流和低压输出的功能， 满足车用氢燃料电池汽车的供氢和消耗需求。而氢气瓶又是氢燃料电池汽车供氢系统的主要部件。具备承载压缩氢气的压力高、气瓶质量轻和储氢密度大的性能特点， 固定在道路车辆上， 用于氢燃料储存并可重复充装。
氢气瓶的充装压力一般为 35 ～ 70 MPa 之间。气瓶结构分为钢内胆纤维缠绕复合气瓶(Ⅱ型气瓶)、铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶(Ⅲ型气瓶) 和塑料内胆碳纤维全缠绕复合气瓶(Ⅳ型气瓶)。
2.3 天然气高压气瓶
压缩天然气( Compressed Natural Gas， CNG) 气瓶在天然气储存和运输中扮演着重要角色。复合材料 CNG 气瓶因具有质轻、比强度高、破损安全性、节约能源和方便运输等优点， 已成为海洋油田天然气储存和运输的最佳载体之一，也是目前世界各国海洋能源工业研究的热点之一。实际上， 复合材料CNG 气瓶在汽车工业、医疗设备和其它领域的应用已有几十年历史。国内外有很多企业和科研机构从事复合材料 CNG 气瓶的研发与生产，国外的单位有美国 SCI 公司、俄罗斯依热夫斯基钢瓶有限公司、法国 HM 公司和美国 John Hopkins 大学等。
目前，在各种场合中应用的复合材料 CNG气瓶的长度一般不超过 2m，直径一般不超过 0. 6m。然而，在海洋能源工业中，为了实现海洋油田天然气的高效、低成本的储存和运输，长度达几十米、直径达几米的大型复合材料 CNG 气瓶呼之欲出。此外，随着压缩天然气汽车的迅速推广，世界各国建立了大量的天然气加气站，同样为了实现陆上天然气的高效、低成本的储存和运输，也亟需开发大型复合材料 CNG 气瓶。
2.4 舰船用气瓶
高压空气瓶是舰船高压空气系统的关键设备之一，可以为舰艇战斗力、生命力提供重要的保障和支持。高压气瓶关系舰艇总体安全性和生命力，若要提高高压空气储量，同时降低总体布置难度， 研制新型高压力、大容积的复合材料高压空气瓶是主要发展方向。
三、复合材料气瓶用增强纤维的发展
自20世纪50年代，复合材料气瓶实现应用以来，其增强纤维先后经历了玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维三代材料的发展。复合材料气瓶性能与应力系数有一定关联，应力系数是指气体压力容器在规定最小爆破压力状态下的纤维应力与工作压力状态下纤维应力之比。
3.1 玻璃纤维
玻璃纤维在 20 世纪 50 年代开始用于压力容器时 , 其应力系数与金属 压力容器的爆破系数相近 。后来由于应力断裂的原因 , 使玻璃纤维压力容器过早地失效 , 导致对玻璃纤维中断裂现象深入的研究 。发现玻璃纤维压力容器的应力系数应比金属容器为高 。才能避免玻璃纤维的应力断裂 , 提供足够的安全可靠性 。
玻璃纤维用作压力容器加强纤维是由于其抗冲本低廉等优点 。玻璃纤维众所周知受环境影响较大 , 如热环境 , 湿环境 , 紫外线和酸等 。有少数玻璃纤维压力容器在服役中破裂 。事故发生由于下列原因 , 包括机械损伤 , 与酸接触 , 质量问题 ,低应力系数断裂和金属部件失效等 。但玻璃纤维压力容器的服役经验表明 , 当容器选用了正确的应力系数进行设计以及使用中周围环境对容器的影响加以足够的保护的话 , 容器是安全的。
玻璃纤维的应力系数的研究解决了其应力断裂的问题 , 应力系数提高 , 使压力容器的壁厚加大 , 但改善了压力容器的持久性 , 并使容器失效偏差减小 。至今 , 超过 100 万只高应力系数的玻璃纤维气瓶服役于世界各地 , 写下出色的安全纪录。
3.2 玻璃纤维
芳纶纤维(即 Kevlar )在 20 世纪 70 年代出现后 ,几乎立即用于压力容器 。已经了解芳纶纤维的抗应力断裂性能比玻璃纤维好 , 但长期的性质还 未很好确定 。也带来了芳纶纤维的应力系数应是多少这个问题，应该把玻璃纤维的应力系数用于新的纤维? 还是按新纤维自己的特性予以确定? 所 以 , 某些商业应用采用低应力系数 , 但多数的商业应用选用近似玻璃纤维的高应力系数 。时至今日 , 芳纶纤维的特性已非常清楚 , 低应力系数已被接受 , 并用于许多用途。
芳纶纤维压力容器数量比玻璃纤维容器少得多 , 至今没发生过服役中破裂 。芳纶纤维受到 200 ℃以上高温或暴露在硫酸或硝酸环境中会受到损害 。它的应力系数介于玻璃纤维和碳纤维之间。
3.3 碳纤维
碳纤维在 20 世纪 70年代进入压力容器工业 , 但人们使用它们没有多大兴趣 。 其时 , 碳纤维比玻璃纤维或芳纶纤维贵得多 , 强度比它们不大 , 且加工困难 。 然而多年后 , 碳纤维的强度增加了 、成本降低了 , 且变成易于加工 。 另外 , 多年试验表明抗疲劳性能和抗环境性能更优 。
20 世纪 90 年代初 , 情况已经明显 , 碳纤维是复合材料压力容器有生命力的加强纤维材料。碳纤维压力容器至今没发生过破裂 。碳纤维不受高温 , 酸 , 或其他流体的影响 , 由于高强度 , 抗应力断裂性能 , 高抗疲劳性能和抗环境性能 。
3.4 复合材料气瓶性能对比
抗应力断裂性能是决定复合材料 CNG 容器的关键方面 。在这方面 , 碳纤维比玻璃纤维优越得多 ,如果将纤维受拉力 , 使其应力达到平均抗拉强度的80% , 则玻璃纤维会有大约一 小时的服役寿命 , 而碳纤维会有大约 100万年的使用寿命 。碳纤维的应力系数为 2.35 时 , 服役寿命超过20 年 的可靠性可达0.999999 , 换句话说 , 压力容器失效风险在它们的服役期限 中仅有百万分之一 , 而玻璃纤维要达到同样可靠性的水平 , 要求应力系数为 3.65 (全缠绕) 。
合理的应力系数的使用也是解决疲劳寿命问题的最好途径 。预计玻璃纤维 、芳纶纤维和碳纤维的结构疲劳寿命分别为 10 万次 , 100 万次和 10000万次 。考虑到CNG 瓶的要求疲劳寿命不可能那么高 , 同时内胆材料的基本寿命只会少于纤维的疲劳寿命 , 所以复合材料压力容器的疲劳风 险实际上不会存在 。
4、发展趋势
通过增强纤维性能及复合材料气瓶对比，碳纤维复合材料气瓶将是重点发展方向。目前世界最新的研究进展是使用100%的碳纤维制造气罐，内部有衬垫、外部有缠绕的细丝，使得气罐质量明显变轻，而且经过严格的科学论证与测试，这种碳纤维储气罐可以经受目前世界上所有运输系统的最苛刻、最严格的安全测试。
目前碳纤维分为通用型（如东丽T300等）、高强中模型（如东丽T700、T800、T1000等）、中强高模型（东丽M40J、M50J等）等几种类型成熟化的产品，但由于复合材料的厚度和层数是影响气瓶机械性能的重要因素，并非所有品种碳纤维均适合于复合材料气瓶加工。
对于高压容器，为了获得高的填充压力需要用高强度碳纤维，为了得到刚性模量压力容器，需用中模碳纤维以控制壁厚，当模量小于300GPa时，为了获得足够刚性，必须加大缠绕量，使其壁厚增加，容器重量增大；当模量大于400GPa时，缠绕量少，容易制得刚性大和重量轻的薄壁压力容器，但耐冲击性能差，降低了耐压性能。因而制造CNG罐所需碳纤维性能范围：拉伸强度4.5-6.0GPa、拉伸模量300-400GPa。
近日，美国赫氏公司发布的新产品HexTow HM50型纤维拉伸强度5860MPa、拉伸模量345GPa纤维，以及日本东丽近期报道拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa等新型碳纤维，兼具了高强度、高模量特点，新一代高强度高模量碳纤维一旦量产，势必成为复合材料气瓶用主要原料。
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参考文献：
秋场鋆等，汽车用CNG复合材料气瓶的应力系数 ；
李玉峰等，复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS 分析技术；
王恺等，可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证 ；
詹合林等，车用 70 MPa 压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的应力分析。