王艷玲 劉洪上

摘要：現(xiàn)階段，最常采用的潛水外壓容器的殼體材料是鋁合金，本文重點(diǎn)討論采用高強(qiáng)度、高模量碳素長(zhǎng)纖維復(fù)合增強(qiáng)的圓筒形鋁合金容器筒體和整體為樹脂基纏繞復(fù)合材料的筒形殼體。兩種筒體均達(dá)到了減輕殼體自身的重量和增加耐靜水外壓的目的。

關(guān)鍵詞：纏繞復(fù)合;圓筒體;圓管潛水;外壓容器

碳纖維纏繞復(fù)合材料可以提高圓筒的靜水耐壓性能。其原因在于在屈曲破壞的初始階段，圓筒形殼體的周長(zhǎng)并非縮小而是增加，沿筒壁表面的母線的長(zhǎng)度也增加。因此，當(dāng)發(fā)生屈曲失穩(wěn)時(shí)，無論是沿圓周方向或是母線方向的鋪層纖維都將受到張應(yīng)力。具有高抗張強(qiáng)度和拉伸模量的碳纖維將約束筒體在靜水外壓作用下的屈曲變形，從而提高筒體的耐靜水外壓能力，增加它的潛水深度。

一、纏繞復(fù)合增強(qiáng)后耐靜水外壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的例證

1.鋁合金筒體外施加樹脂基碳纖維纏繞復(fù)合前后的耐壓性能對(duì)比。選用外徑D=29.8mm，內(nèi)徑d=26mm，長(zhǎng)l=l00mm的YL-fl鋁合金圓筒，筒體外施以三種不同方式的纏繞復(fù)合。通過打壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合前后的耐靜水外壓性能，纏繞復(fù)合對(duì)筒形容器的耐靜水外壓性能都起到了增強(qiáng)作用，其中以圓周纏繞的增強(qiáng)作用更為明顯。軸向纏繞與圓周纏繞若能配合得當(dāng)可以獲得很好的效果。此外，從被打壓破壞后的實(shí)物看出，復(fù)合層為脆性破裂，鋁合金筒為塑性變形屈曲破壞，在破壞處鋁合金與復(fù)合體分離，若能提高兩者界面的面結(jié)合強(qiáng)度，筒體的耐壓性能還將有進(jìn)一步的提高。

2.破纖維纏繞復(fù)合材料圓筒的耐靜水外壓效果。采用兩種不同的正交纏繞鋪層方式制作兩只內(nèi)徑d=200mm，長(zhǎng)l=400mm的承壓筒體。第1只為軸向繞一層，然后周向繞一層，交替進(jìn)行，共鋪12層，筒壁厚度為3.5mm。第2只為軸向一層加周向兩層，交替進(jìn)行共鋪12層，筒壁厚為4.5mm。經(jīng)打壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其破壞壓強(qiáng)分別為3.1MPa及5.0MPa。若按相同重量和相同排水體積而采用鋁合金材料制作，其計(jì)算承壓能力僅為1MPa左右?？梢娺x用適當(dāng)?shù)奶祭w維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和工藝制作筒形承壓容器，具有很大的減重和增加潛水深度的潛力。采取正交纏繞和螺旋纏繞鋪層，順序?yàn)?0°（圓周纏繞）-30°（螺旋纏繞）-0°（軸向纏繞）-90°，共鋪4層。圓筒外徑D=80mm，內(nèi)徑d=76 mm，長(zhǎng)Z=120mm。共制作3只。破壞時(shí)的壓強(qiáng)分別為1.60MPa、1.85MPa及2.00MPa。為了便于對(duì)比，還制作了正交纏繞鋪層90°-0°-90°圓筒1只，外形尺寸同上。其破壞時(shí)的壓強(qiáng)為4.75MPa。

3.纏繞復(fù)合對(duì)承壓管的軸向抗壓增強(qiáng)作用。筒形潛水外壓容器除受到徑向均布?jí)狠d外，還受到軸向壓載。以圓管作為承壓構(gòu)件在船舶及其它工程結(jié)構(gòu)中也是經(jīng)常采用的。當(dāng)筒為長(zhǎng)度與直徑之比較大的細(xì)長(zhǎng)管時(shí)，施于軸向的壓載造成失穩(wěn)的威脅隨之出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)圓管受到軸向壓載時(shí)，在開始變形階段，其橫截面的周長(zhǎng)總是逐漸增加。無論是產(chǎn)生彈塑性變形，或因失穩(wěn)而造成折皺和彎曲，其周長(zhǎng)將隨應(yīng)力的增加而加大。為提高圓管的軸向承載能力，不論是纏繞復(fù)合方法約束管外壁周長(zhǎng)的擴(kuò)展防止圓管表面局部失穩(wěn)，還是以某種方法約束圓管的軸向彎曲變形防止整體失穩(wěn)的發(fā)生，都可以起到提高圓管結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的作用。實(shí)驗(yàn)采用外徑D=20mm，內(nèi)徑d=17mm，長(zhǎng)Z=153mm的YL-1鋁合金管，分為管外壁不予增強(qiáng)（1號(hào)）、外壁用碳纖維沿圓周纏繞增強(qiáng)（2號(hào)），及沿管壁圓周和軸向兩處方向纏繞碳纖維增強(qiáng)（3號(hào)）。軸向加載測(cè)定其抗失穩(wěn)性能，當(dāng)軸向壓載在8.28kN時(shí)，1號(hào)試件明顯彎曲呈失穩(wěn)狀態(tài)，卸載后的殘余應(yīng)變?yōu)?%。在相同載荷下，2號(hào)及3號(hào)試件均未發(fā)生明顯彎曲現(xiàn)象。繼續(xù)加載到13.7kN時(shí)，2號(hào)試件明顯彎曲，殘余應(yīng)變?yōu)?.2%，較1號(hào)試件的殘余應(yīng)變大;此時(shí)3號(hào)試件還沒有明顯彎曲。對(duì)3號(hào)試件加載到15.5 kN，3號(hào)試件的增強(qiáng)纖維復(fù)合層沿母線方向有3處出現(xiàn)叉形劈裂，最長(zhǎng)的裂縫達(dá)37mm，有一處沿周向壓折，造成纖維斷裂。在加載過程的后期，隨著載荷的增加伴有間斷性可聽到的聲發(fā)射及從材料試驗(yàn)機(jī)表盤上觀察到指針的抖動(dòng)。這表明增強(qiáng)纖維承受的拉應(yīng)力已超過其強(qiáng)度極限，從而產(chǎn)生非連續(xù)斷裂。

二、碳纖維復(fù)合材料在高壓容器中的應(yīng)用

1.碳纖維復(fù)合材料在承受內(nèi)壓容器中的應(yīng)用。各種航天器和導(dǎo)彈系統(tǒng)需要輕質(zhì)高性能壓力容器，一般是在內(nèi)襯材料，如Al、Ti、不銹鋼外纏繞復(fù)合材料，目前這種金屬內(nèi)襯復(fù)合材料廣泛用于航天器、汽車、軍用飛機(jī)等方面。美國(guó)SCI具有23年生產(chǎn)復(fù)合材料壓力容器的經(jīng)驗(yàn)，并且是薄壁鋁合金/碳纖維纏繞壓力容器的先驅(qū)。金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞壓力容器，分別對(duì)內(nèi)襯進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纏繞成型，對(duì)壓力容器進(jìn)行各種試驗(yàn)，如X射線探傷、尺寸檢測(cè)、水壓檢測(cè)、常溫、極限溫度疲勞試驗(yàn)等，最終交付產(chǎn)品。

2.碳纖維復(fù)合材料在潛水外壓容器中的應(yīng)用。海洋的勘測(cè)開發(fā)、科學(xué)研究及水下武器裝備都離不開潛水外壓容器，尤其是大深度的潛水裝備，對(duì)外壓容器材料提出了更高的要求。由于碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、模量大、密度小、尺寸穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)低，另外，還具有優(yōu)異的耐海水、耐酸、耐堿、耐溶劑腐蝕特性，適用于做大深度的潛水外壓容器，如法國(guó)的海蟮魚雷殼體采用碳纖維復(fù)合材料，該魚雷的最大潛水深度超過100 m。目前最常用的潛水外壓容器殼體材料是鋁合金。據(jù)報(bào)道，采用碳纖維復(fù)合鋁合金后殼體耐壓強(qiáng)度提高9%～29%，這對(duì)于提高殼體的耐靜水外壓能力，增加潛水深度有明顯效果。

三、結(jié)論

用高強(qiáng)度、高模量碳纖維對(duì)圓筒（或圓管）進(jìn)行周向纏繞復(fù)合，可阻止其截面的擴(kuò)張和翹曲，阻止或延緩局部失穩(wěn)的出現(xiàn)。沿母線纏繞復(fù)合可阻止其縱向彎曲的發(fā)生和延緩彎曲的出現(xiàn)，從而提高抗彎曲的整體穩(wěn)定性。由此可見，圓筒或圓管的外壁以適當(dāng)?shù)匿亴臃椒ㄓ酶邚?qiáng)度、高模量的連續(xù)纖維進(jìn)行纏繞復(fù)合后，可以在不增加或少許增加自身重量的情況下，對(duì)于防止構(gòu)件局部失穩(wěn)，增強(qiáng)整體的穩(wěn)定性，提高承載能力產(chǎn)生明顯的效果，即在承壓容器重量一定的條件下具有大的承壓能力，或是在承壓能力一定時(shí)具有輕的自身重量。此外，由于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異耐海水及耐強(qiáng)酸、堿、溶劑等腐蝕的性能，具有疲勞強(qiáng)度高和良好的振動(dòng)阻尼性能，比重小（1.7g/cm3左右），線熱膨脹系數(shù)低（纖維方向?yàn)?.2 x10-6℃-1）以及在疲勞裂紋出現(xiàn)時(shí)有明顯的聲發(fā)射報(bào)警等優(yōu)越的物理、化學(xué)性能，故纏繞復(fù)合材料更加適用于大深度的潛水外壓容器，例如大深度、低噪聲重型魚雷殼體以及其它深水武器裝備等。據(jù)報(bào)道，法國(guó)的海鱔魚雷殼體已采用碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造。該魚雷的最大潛水深度超過l00m，最高航速超過50 k n?？梢灶A(yù)料，這種用于水下武器及其它深潛器殼體的新材料、新工藝將會(huì)在減重、增強(qiáng)、降噪、耐疲勞以及在溫度變化的情況下保持外形尺寸的穩(wěn)定性等方面展現(xiàn)其優(yōu)越的性能，從而受到重視和應(yīng)用。

總之，纏繞復(fù)合對(duì)于提高筒體的耐靜水外壓能力將產(chǎn)生明顯的增強(qiáng)效果。其原因在于在屈曲破壞的初始階段，圓筒形殼體的周長(zhǎng)并非縮小而是增加，沿筒壁表面的母線的長(zhǎng)度也增加。因此，當(dāng)發(fā)生屈曲失穩(wěn)時(shí)，無論是沿圓周方向或是母線方向的鋪層纖維都將受到張應(yīng)力。具有高抗張強(qiáng)度和拉伸模量的碳纖維將約束筒體在靜水外壓作用下的屈曲變形，從而提高筒體的耐靜水外壓能力，增加它的潛水深度。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小鵬.先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展與展望[J]材料工程，2015.7（2）：40-44.

[2]張敏福.碳纖維纏繞復(fù)合材料在潛水外壓容器上的應(yīng)用[J].材料科學(xué)進(jìn)展，2018.24（3）：35-38.