賀大鵬

摘 要：對使用環(huán)境為海洋條件下的復合材料氣瓶進行了試驗研究。復合材料氣瓶具有工作壓力高、儲氣量大、重量輕、安全性好等特點，根據現有航空氣瓶的成熟經驗，通過對海洋環(huán)境下對復合材料氣瓶可能產生的不利影響，采用一系列針對性試驗驗證，結果表明：本研究的設計方法能夠有效保證復合材料氣瓶進在海洋環(huán)境中的使用性能。

關鍵詞：氣瓶;海洋環(huán)境;高壓

1概述

針對氣瓶工作壓力高、安全性和可靠性要求高的特點，根據復合材料航空領域氣瓶的成熟經驗，針對海洋環(huán)境下可能產生的不利影響，通過有針對性的驗證試驗，掌握主要影響因素及作用程度，制定防護措施，確定復合材料氣瓶的設計方案。

海洋環(huán)境用復合材料氣瓶設計首先保證氣瓶高壓工作的安全性。因為氣瓶的載荷主要是由復合材料承擔的，故可以采用網格分析方法確定結構復合材料的鋪層設計。【1】其壽命由內膽的受力狀態(tài)決定，故金屬內膽與復合材料的協同受力是關鍵。通過可獲得的金屬材料和復合材料的基礎性能數據，利用有限元分析技術，結合適當的試驗，即可建立復合材料氣瓶壽命與材料性能的相關性，從而保證氣瓶的可靠性。

海洋環(huán)境用復合材料氣瓶能夠有效減輕重量、工作壓力高并具有較高的安全性，在配套裝備的使用和維護過程中具有重要意義。

2研究內容

海洋環(huán)境用復合材料氣瓶的設計主要包括氣瓶總體結構設計、防電化學腐蝕涂層設計、密封結構設計和氣瓶防海水腐蝕設計。

2.1總體結構設計

由于圓柱型結構最容易實現性能因子的最大化，而且其空間利用率好，故本研究采用圓柱型結構，氣瓶內膽采用航空氣瓶通用的金屬內膽。海洋環(huán)境用復合材料氣瓶的特點決定了其不僅要達到航空成熟產品的技術要求，還要在結構設計上考慮以下問題：

（1）復合材料氣瓶在使用過程中反復充壓、卸壓，會在復合材料纖維和樹脂的界面或樹脂基體內部產生缺陷，長期浸入海水時，海水有可能會從這些潛在通道滲入到復合材料和內膽的界面處。此時金屬內膽材料在海水中會發(fā)生腐蝕，比如均勻腐蝕、晶間腐蝕等。

（2）海水有可能在外壓作用下，通過復合材料與內膽瓶嘴的結合處滲入到金屬內膽與復合材料之間，侵蝕接觸面發(fā)生分層。

（3）金屬材料與碳纖維在有海水作為介質時還會發(fā)生電化學腐蝕反應。

針對第一個問題，采取在承載的復合材料結構層外增加耐海水涂層的設計，防止海水對結構復合材料的滲入。為了便于耐海水涂層的施工，同時進一步保護結構層，在結構層外設計了復合材料防護層。

針對第二個問題，采取在氣瓶接嘴端面增加防海水密封結構的設計。

針對第三個問題，采取在金屬內膽和結構層之間增加防電化學腐蝕涂層的設計。

海洋環(huán)境用高壓復合材料氣瓶最終的總體結構設計如圖1所示。

2.2復合材料氣瓶防海水腐蝕技術

2.2.1金屬內膽防海水腐蝕設計

本研究對6061鋁合金在海水中的腐蝕性能進行了試驗研究。采用全浸試驗（GB10124-88）和電化學試驗方法，分別測量材料在試驗介質中的腐蝕失重、腐蝕形態(tài)，開路電位（自然腐蝕電位）、開路電位值隨時間的變化關系，陰、陽極化曲線等，研究腐蝕特點及其腐蝕電化學行為，為研究不同組合電偶對的腐蝕提供依據。

表1列出了不同實驗條件下Al6061試樣在人工海水溶液中浸泡腐蝕實驗結果。

注：未打磨指試樣表面保持原始加工狀態(tài);打磨指將試樣表面用金相水砂紙打磨最終至800#砂紙;打磨且通氣指表面打磨試樣試驗過程中每隔30分鐘向試驗溶液中連續(xù)通入空氣5分鐘。

圖2為鋁合金開路電位-時間變化關系曲線。在所測試的時間內，鋁合金的開路電位由-0.795v上升到-0.735v，4500秒后逐漸下降然后在-0.775v—0.785v之間10 mv范圍內波動，形成一個較為穩(wěn)定的值。開路電位和時間關系曲線的變化，說明了鋁合金在腐蝕溶液中腐蝕—表面成膜—膜層破壞—又形成新膜而最終達到腐蝕穩(wěn)定的過程。

圖3為鋁合金極化曲線。下分支的陰極極化曲線和上分支的陽極極化曲線相交于一點，該點在Y軸上對應的電位就是名義的自然腐蝕電位（即開路電位），該點在X上對應的電流應為最小電流，即名義下的自然腐蝕狀態(tài)下的電流?？梢钥吹?，材料在人工海水中-0.45v—-0.76v這一電位范圍內表現出弱極化行為。

綜上所述，根據腐蝕數據進行計算，本研究內膽的壁厚在傳統(tǒng)設計基礎上增加一定的腐蝕裕度。另外，內膽外壁（含端面）進行陽極氧化處理，以形成致密保護膜。

2.2.2防電化學腐蝕涂層設計

本研究測試了T700碳纖維增強復合材料/鋁合金6061所組成的電偶對在人工海水溶液中的電偶腐蝕情況。

為考察不同表面狀態(tài)對電偶腐蝕的影響，電偶腐蝕用復合材料分兩種，其中一種（A）試樣表面封涂層，另一種（B）試樣則打磨至碳纖維裸露。

不同表面狀態(tài)碳纖維環(huán)氧復合材料T700與鋁合金偶對的電偶電流隨時間變化關系如圖4、圖5所示。圖中各曲線的表示符號含義：

無——表示裸件;有——表示表面有涂層;

充氣——表示為裸件，并定時向溶液中充入空氣。

從圖4可以看出，向溶液中定時充入空氣，電偶電流大大增大，尤其是在實驗剛開始階段，電流密度達到52μA/cm2，是無涂層條件下的60多倍，經過4000多分鐘以后，電偶電流大幅度降低到一個相對穩(wěn)定值，到7000分鐘后，由于表面腐蝕產物覆蓋的影響，有效反應面積減小，同無涂層條件下電偶電流大小基本接近。圖5顯示不充氣條件下鋁合金與復合材料表面有、無涂層兩種情況下電偶電流變化趨勢。相比而言，要比充氣條件下小很多，而且變化趨勢基本一致。

圖6顯示了不同條件下復合材料/鋁電偶對電偶電位隨時間的變化關系。

復合材料表面有涂層時，電偶電位隨時間延長下降幅度最大，經過1500分鐘后電偶電位為-1.125V左右，而且趨勢很平坦，結合試樣表面看到形成了一層膜層，阻礙并減緩了鋁合金的進一步腐蝕;充氣條件下，可以看到電偶電位維持在-0.725--0.825V之間一個對鋁合金來說較高的電位范圍內，鋁合金表面較長時間保持活化而腐蝕的狀態(tài)，表現為電偶電流較大的緣故。

綜上所述，在鋁合金內膽和碳纖維增強層之間設計防電化學腐蝕涂層可提高產品的可靠性。防電化學腐蝕涂層應具備以下特點：與金屬內膽和結構層選用的樹脂基體相容性好、附著力強，適用于涂刷施工工藝;凝膠狀態(tài)具有足夠的抗壓強度，能夠承受后續(xù)纖維纏繞張力帶來的壓應力;與結構層樹脂共固化。

2.2.3密封結構設計

氣瓶采用的密封型式為靜密封。由于氣瓶工作壓力高，錐螺紋連接安全性得不到保證，故采用直螺紋連接，需要在端面設計密封結構。本項目設計了兩道橡膠圈密封結構。第一道內側密封結構在金屬內膽與金屬堵頭之間，其作用是密封氣體，第二道外側密封結構在金屬與復合材料之間，作用是隔絕海水。密封結構設計見圖7。

密封結構的關鍵是端面密封槽的設計，要保證第一道內側密封圈首先受到壓縮，同時要保證上緊螺紋后，第二道外側密封結構正常工作。

2.2.4復合材料防海水腐蝕設計

通過制作復合材料板形件，切割成多組彎曲試樣，進行海水全浸試驗。然后測定力學性能來考核復合材料在海水腐蝕環(huán)境下的強度保留率。表2為試樣浸泡前后的彎曲性能對比。

試驗結果表明，碳纖維增強環(huán)氧復合材料經十個月的海水浸泡，其彎曲力學性能有小幅下降趨勢。因此，設計耐海水涂層對包括結構復合材料在內的氣瓶整體進行保護。

為驗證耐海水涂層對復合材料氣瓶防海水腐蝕的可靠性，進行了氣瓶縮比件耐海水腐蝕試驗。在試驗過程中對試驗氣瓶間斷取出在日光下曝曬，然后放入水中升壓繼續(xù)浸泡。每隔一個月進行200次海水中疲勞試驗，分階段完成1000次疲勞試驗，使試驗氣瓶因反復膨脹和收縮產生缺陷，最大限度模擬氣瓶實際使用的動態(tài)環(huán)境。對浸泡的氣瓶進行的配合試驗有海水中疲勞試驗和水壓爆破試驗。試驗結果見表3。

從試驗結果來看，耐海水涂層可有效保護結構復合材料。

3 結論

通過以上分析，該設計方法合理可行，通過此種設計生產的復合材料氣瓶除滿足航空領域氣瓶的技術要求外，還具有較好的耐壓防腐性能，重量輕，安全性高，能夠適應海水環(huán)境的工作需求。

參考文獻：

[1]徐君臣，銀建中纖維纏繞復合材料氣瓶研究進展[J].應用科技2012，39（4），64-69.