摘要：复合材料压力容器主要通过纤维缠绕工艺及编织工艺成型，是一种由具有密封性内衬和高强度的纤维缠绕层组成的薄壁容器。相较于传统的金属压力容器，复合材料压力容器的内衬起到了存储、密封和防化学腐蚀的作用，主要由复合材料层来承担内压载荷。由于复合材料的高比强度和良好的可设

复合材料压力容器主要通过纤维缠绕工艺及编织工艺成型，是一种由具有密封性内衬和高强度的纤维缠绕层组成的薄壁容器。相较于传统的金属压力容器，复合材料压力容器的内衬起到了存储、密封和防化学腐蚀的作用，主要由复合材料层来承担内压载荷。由于复合材料的高比强度和良好的可设计性，复合材料压力容器相较于传统金属压力容器而言不仅承载能力得到了极大的提升，而且大幅地减轻了容器质量。

纤维缠绕压力容器的内层主要是内衬结构，其主要功能是充当密封屏障，防止内部存储的高压气体或液体泄漏，同时可以保护外部纤维缠绕层。该层不会被内部存储材料腐蚀，并且外层是由树脂基质增强的纤维缠绕层，主要用于承受压力容器中的大部分压力负荷。

1. 纤维绕压力容器的结构

复合材料压力容器的结构形式主要有圆筒形、球形、环形和矩形四种。圆筒形容器由一个筒身段和两个封头组成。金属压力容器被制成简单形状，其轴向有多余的强度储备。球形容器在内压作用下，经、纬向应力相等，且为圆筒形容器周向应力的一半。金属材料在各方向的强度相等，因此金属制球形容器为等强度设计，在容积、压力一定时具有最小质量。球形容器的受力状态是最理想的，容器壁也可以做得最薄。但是由于球形容器在制造方面的难度较大，一般只有在航天器等特殊场合使用。环形容器在工业生产中十分少见，但是在某些特定的场合还是需要这种结构的，例如，空间飞行器为了充分利用有限空间，就会采用这种特殊结构。矩形容器主要是为了满足当空间有限时，最大限度地利用空间而采用的结构，如汽车矩形槽车、铁路罐车等，这类容器一般为低压容器或者常压容器而质量要求越轻越好。

复合材料压力容器本身结构的复杂性、封头和封头厚度的突然变化、封头的可变厚度和角度等，给设计、分析、计算和成型带来了许多困难。有时，复合材料压力容器不仅需要在封头部分以不同的角度和变速比进行缠绕，而且需要根据结构的不同采用不同的缠绕方法。同时，必须考虑如摩擦系数等实际因素的影响。因此，只有正确的、合理的结构设计，才能正确地指导复合材料压力容器的缠绕生产工艺过程，从而生产出满足设计要求的轻量化复合材料压力容器产品。

2. 纤维缠绕压力容器的材料

纤维缠绕层作为主要承重部分必须具有高强度、高模量、低密度、热稳定性和良好的树脂润湿性，以及良好的缠绕加工性和均匀的纤维束紧度。用于轻型复合材料压力容器的常用增强纤维材料包括碳纤维、PBO 纤维、芳族聚胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维等。

碳纤维，图片来源：光威复材

碳纤维是一种纤维状的碳材料，其主要成分是碳，由有机纤维原丝高温下碳化而成，也是一种含碳量超过 95%的高性能纤维材料。碳纤维性能优良，研究始于 100 年以前，是一种高强度、高模量和低密度的高性能缠绕纤维材料，主要具有以下特点。

（1）密度小、质量轻。碳纤维的密度为 1.7~2g/cm，相当于钢密度的1/4、铝合金密度的 1/2。

（2）高强度和高模量，其强度比钢高 4~5 倍，弹性模量比铝合金高 5~6 倍，绝对弹性回复。碳纤维的抗拉强度和弹性模量分别可达到 3500~6300MPa 和230~700GPa。

（3）热膨胀系数小。碳纤维的导热系数随温度的升高而降低，耐骤冷、急热，即使从高温几千摄氏度下降到室温也不会破裂，在 3000℃的非氧化性气氛中不会熔化或软化: 在液氮温度下不会脆化。

（4）耐腐蚀性好。碳纤维对酸呈惰性，并且可以承受强酸，如浓盐酸和硫酸。

此外，碳纤维复合材料还具有抗辐射、化学稳定性好、可吸收有毒气体和中子减速等特点，在航空航天、军事等许多方面具有广泛的应用。

芳纶纤维

芳族聚酰胺(Aramid)出现于 20世纪60年代后期，是由芳族聚邻苯二甲酰胺合成的有机纤维，其密度小于碳纤维。它具有高强度、高模量、良好的冲击性能和良好的化学稳定性，以及耐热性，其价格仅为碳纤维的一半。芳纶纤维主要具有以下特点。

（1）良好的力学性能。芳纶纤维是一种比普通聚酯、棉、尼龙等具有更高断裂强度的柔性聚合物，具有更大的伸长率、柔软的手感、良好的可纺性,可以制成不同纤度和长度的纤维。

（2) 优良的阻燃和耐热性能。芳族聚酰胺的极限氧指数大于 28，因此它离开火焰时不会继续燃烧。它具有良好的热稳定性，可以在205℃下连续使用，并且在高于 205℃的高温条件下仍能保持较高的强度。同时，芳纶纤维的分解温度很高,在高温条件下还能保持较高的强度，只有在温度高于 370℃时才开始碳化。

（3）化学性能稳定。芳纶纤维对大多数化学物质均具有优异的抵抗力,可以承受大多数高浓度的无机酸，并且在室温下具有良好的耐碱性。

（4）优良的力学性能。它具有出色的力学性能，如超高强度、高模量和轻质量。其强度是钢丝的5~6 倍，弹性模量是钢丝或玻璃纤维的 23 倍，性是钢丝的2倍，质量仅是钢丝的1/5。芳族聚疏胺纤维一直是大量使用的高性能纤维材料，主要适用于对质量和形状有严格要求的航空和航天压力容器。

PBO 纤维

PBO 纤维是美国在 20 世纪 80 年代为航空航天工业发展而开发的复合材料的增强材料。它是含有杂环芳族化合物的聚既胺家族中最有前途的成员之一，被称为 21 世纪的超级纤维。PBO 纤维具有十分优异的物理性能和化学性能，其强度、弹性模量、耐热性在所有纤维中几乎都是最好的。此外，PBO 纤维具有出色的抗冲击性、耐摩擦性和尺寸稳定性，并且轻巧柔软，是极为理想的纺织材料。PBO 纤维主要具有以下特点：

（1）良好的力学性能。高端 PBO 纤维产品的强度为 5.8GPa，弹性模量为 180GPa，在现有的化学纤维中是最高的。

（2）良好的热稳定性。耐热温度达到 600℃，极限氧指数为 68，在火焰中不燃烧或收缩，其耐热性和阻燃性高于其他任何有机纤维。

作为 21 世纪的超高性能纤维PBO 纤维具有非常出色的物理性能和力学性能以及化学性能。它的强度和弹性模量是芳纶纤维的 2 倍，并且具有间位芳族聚胺的耐热性能和阻燃性能，其物理性能和化学性能完全超过了芳纶纤维。直径为 lmm的 PBO纤维可以提起质量达 450kg 的物体，其强度是钢纤维的 10 倍以上。

超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维，也称为高强度、高模量聚乙烯纤维，是世界上具有最高比强度和比模量的纤维。它是由聚乙烯纺成的纤维，分子量为 100 万~500 万超高分子量聚乙烯纤维主要具有以下特点：

（1）高比强度和高比模量。它的比强度是相同截面钢丝的十倍以上，比模量仅次于特种碳纤维，通常分子量大于 10，抗拉强度为 3.5GPa，弹性模量为 116GPa，伸长率为 3.4%。

（2）密度低。它的密度一般为 0.97~0.98g/cm，可以漂浮在水面上。

（3）低断裂伸长率。它吸收能量的能力强，具有优异的耐冲击性和耐切割性，耐候性极好，能抗紫外线、中子和γ射线，具有高比能吸收、低介电常数、高电磁波透射率和耐化学腐蚀性能，以及良好的耐磨性和较长的弯曲寿命。

聚乙烯纤维具有许多优异的性能，它在高性能纤维市场上显示出巨大的优势，从海上油田的系泊缆绳到高性能的轻质复合材料，在现代战争以及航空、航天和海事领域都显示出巨大的优势，在防御装备和其他领域起着举足轻重的作用。

树脂基体因其胶黏能力比较好，主要用来黏结以固定纤维材料，同时起到分散载荷、使纤维所受的载荷均匀、以避免使外层纤维材料被外界环境损伤的作用。对于树脂基体，不仅需要具有较高的载荷传递能力，而且需要具有良好的力学性能和黏结性能。韧性是复合材料中树脂基体的必要特性，确保了固化的复合材料具有更好的性能，因此整体性能高。根据热效应的特性，树脂可分为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂仅在复合材料的成型过程中发生物理变化，并且没有化学反应。常见的热塑性树脂有聚丙烯 (PP)、尼龙 (PA)、丙烯腈-丁二烯苯乙共聚物(ABS)、聚(PET) 和聚甲醛(POM)等，它们的复合材料通常是 10%~30%的碎玻璃纤维增强。热固性树脂是指在使用过程中添加固化剂和促进剂(某些树脂不需要促进剂) 的树脂，在一定温度下发生不可逆的化学变化，会形成难溶的固体。常见的热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚醋树脂和乙烯基树脂。

来源：复合材料前沿