摘要：壓力容器的使用范圍很廣泛，但因為其是一種承壓設備，在使用過程中具有很大的危險性，在壓力容器的設計過程中，選用合理的壓力容器材料是其設計中的關鍵步驟，這對后期容器的性能起到了決定性的作用，所選材料的耐腐蝕性及機械強度都會對壓力容器的使用狀況造成影響，隨著工業(yè)水平的提高，對壓力容器的性能參數(shù)有了更為苛刻的要求。通過闡述壓力容器的設計制造現(xiàn)狀及特點，提出相關的應力分布計算方法，分析造成復合材料壓力容器失效的主客觀因素，對復合材料壓力容器的設計制造具有一定的參考作用。

關鍵詞：復合材料；壓力容器；性能

壓力容器目前廣泛應用于航天、能源、化工等領域，它是能夠承受一定壓力的設備，隨著工業(yè)技術對壓力容器更嚴格的要求，壓力容器需要具備更好的性能來滿足工業(yè)發(fā)展的需要，然而壓力容器的材料、介質(zhì)條件、溫度、設計壓力等因素都會影響到壓力容器的性能，這也使得壓力容器在使用過程中具有一定的危險性。壓力容器的材料對壓力容器的性能起著決定性的作用，在壓力容器材料上的技術突破，對整個壓力容器的設計制造具有重大意義，材料的耐腐蝕性及機械強度等性能，對壓力容器的使用狀況都有重要的影響。

過去的壓力容器的材料大多是金屬板材，容器的內(nèi)襯通常采用耐腐蝕的合金鋼材料，為了提高機械強度，在其外層進行金屬板包扎，但是金屬材料具有造價高、密度大的特點，將合金鋼材料應用于腐蝕嚴重的場合，會給工業(yè)生產(chǎn)造成很大的不便。復合材料出現(xiàn)之后，由于其具有各種優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)當中，尤其是在航天技術方面的應用，航天器技術風險對復合材料壓力容器的發(fā)展應用起到了很大的促進作用，由于復合材料的良好性能，也廣泛應用于工業(yè)容器的設計當中。

1.復合材料壓力容器的概述

1.1.復合材料壓力容器的特點

ISO（國際化標準組織）為復合材料給出了這樣的定義，復合材料是指，有兩種及兩種以上的具有不同的化學及物理性質(zhì)的物質(zhì)組合而成的一種多相的固體材料。這些材料中，其中一種作為基體，其他的材料是為增強體組合而成的材料。這些材料組合在一起，在性能上具有互補作用，能夠產(chǎn)生協(xié)同效應，這樣的復合材料的綜合性能比任何一種材料的單獨性能都要好，能夠滿足各種不同的材料要求，這種復合材料不僅具有材料與結構的統(tǒng)一性、可設計性、復合工藝的依賴性、復合材料的優(yōu)越性等性能，還具有良好的減磨耐磨、穩(wěn)定的化學性能、電絕緣性、耐疲勞性、自潤滑性及良好的耐熱性能。正因為復合材料具有諸多的優(yōu)良性能，使得其在制造業(yè)以及壓力容器制造中具有其獨特的優(yōu)勢。

復合材料應用于壓力容器的制造中，具有以下優(yōu)良特性：（1）具有很好的韌性，鋼制壓力容器在壓力作用下具有破壞突發(fā)性，復合材料中的基體能夠與增強材料有效的結合，能夠?qū)⑤d荷進行平衡的傳遞，有效的防止裂紋的擴展，使材料的斷裂韌性得到有效的提高；（2）具有很強的耐腐蝕性能，和傳統(tǒng)金屬比起來，復合材料具有很強的耐腐蝕性能，不需要做特殊處理就能滿足壓力容器的耐腐蝕要求，直接將其應用于工業(yè)生產(chǎn)當中；（3）復合材料具有密度小的特點，一般情況下，復合材料選用金屬、陶瓷或是一些聚合物等材料作為基體材料，它本身的密度就不大，與增強材料融合后，密度值更低；（4）具有較高的機械強度，目前，復合材料主要是將一些纖維產(chǎn)品作為增強材料，如果發(fā)生材料過載或少數(shù)纖維斷裂，載荷會被迅速的重新分配到未被破壞的纖維之上，整個構件不會在短期內(nèi)失去承載能力。纖維材料本身的形變能力就很好，具有很高的強度，再與基體材料結合，強度性能會提高數(shù)倍，用它制成的容器會具有很好的強度，剛性好，質(zhì)量也很好。

1.2.復合材料壓力容器的設計及制造現(xiàn)狀

隨著工業(yè)水平及要求的提升，復合材料在壓力容器制造中的應用越來越廣泛，特別是應用于小型壓力容器的制造中。復合材料壓力容器通常采用金屬的內(nèi)襯，再用碳纖維等復合材料進行外包扎成為強度層的結構型式。目前，我國復合材料壓力容器的設計常采用網(wǎng)絡理論來進行網(wǎng)絡分析。網(wǎng)絡理論認為由纖維連續(xù)纏繞制成的容器具有受力均勻、纖維分布均勻的特點，載荷都由纖維承擔，不計基體剛度。通過網(wǎng)絡分析可以得到纖維的厚度、纏繞方向、應力等數(shù)據(jù)。

目前的復合材料壓力容器的制造方法，大多采用纖維纏繞的工藝方法，由連續(xù)的纖維提供產(chǎn)品所需的剛度及強度，可以對容器的筒身進行螺旋纏繞，為了滿足疲勞性及氣密性要求，采用延展性好的金屬材料。

2.復合材料壓力容器的應力情況

復合材料結構的生產(chǎn)與成型是一起完成的，能夠?qū)⒉牧蟽?nèi)部纖維結構完整的保存，使復合材料具有很好的機械強度。但由于纖維結構沿壁厚上的分布不均勻，對其進行應力分析比較困難，對于一些較為復雜的問題的分析，可采用數(shù)值分析法進行分析，對復合材料壓力容器的載荷進行分析的數(shù)值分析法主要有：有限元混合法、有限元位移法、應力雜交元法、邊界元法等方法。

復合材料的壓力容器為軸對稱結構，受壓均勻，金屬內(nèi)襯的力學平衡方程為：

3.復合材料壓力容器的失效因素

復合材料壓力容器失效的主要形式有兩種，即復合層爆破、內(nèi)襯泄露兩種。引起復合材料應力斷裂的主要因素是容器的結構性能，除此之外還有載荷周期、撞擊損傷、內(nèi)襯泄露、外界環(huán)境等客觀因素會造成壓力容器的應力失效。

4.結束語

復合材料由于具有很好的耐腐蝕性及機械強度，被廣泛應用于壓力容器的制造中，在各個應用方面都取得了很大的進步，但是復合材料的壓力容器的研究空間還很大，具有很大的研發(fā)價值空間，有待進一步研究。

參考文獻：

[1]駱曉玲，劉亮亮.復合材料壓力容器的性能分析[J].機械設計與制造，2011（5）.

[2]劉靜，孟愛成.淺談復合材料壓力容器的性能[J.]機電信息，2013（10）.

作者簡介：張娟（1989-），女，漢族，陜西神木人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學化工學院碩士研究生，從事壓力容器復合材料研究。