郝延平，刘扬涛

(1.沈阳特种设备检测研究院，沈阳 110035； 2.沈阳中复科金压力容器有限公司，沈阳 110141)



·气瓶检验·

6.8 L玄武岩纤维全缠绕复合材料气瓶的研制及试验研究

郝延平1，刘扬涛2

(1.沈阳特种设备检测研究院，沈阳 110035； 2.沈阳中复科金压力容器有限公司，沈阳 110141)

摘要:选用玄武岩纤维为增强材料，针对市场上常规的6.8 L呼吸气瓶，进行了气瓶的纤维缠绕层计算和样品制备，并对气瓶进行了爆破及疲劳实验。结果表明：本研究所研制6.8 L玄武岩纤维气瓶爆破压力为98 MPa，0～30 MPa压力循环试验10 000次气瓶未泄漏，满足设计要求，证明了玄武岩纤维应用于压力容器领域的可行性。

关键词:玄武岩纤维；气瓶；爆破压力；疲劳试验

玄武岩纤维[1-3]，是玄武岩石料在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，强度与日本东丽T300级碳纤维相差无几，纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)之一，并实现了工业化生产。玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色环保材料。目前国内玄武岩连续纤维在建筑、路桥等领域已经有很多应用。

目前纤维增强复合材料压力容器在国内的应用越来越广泛，主要有玻璃纤维和碳纤维增强两种[4-6]。本文使用某公司生产的玄武岩纤维进行了全缠绕高压气瓶的试制和爆破及疲劳试验，目的是对玄武岩纤维用于高压气瓶的增强进行探讨。

1试验材料

纤维材料为某公司生产的玄武岩纤维，表面金黄色，见图1，主要参数显示如表1所示。

图1　玄武岩纤维样品

纤维直径μm密度g/cm3拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/GPa伸长率%132.8258888.62.98

为了检验玄武岩纤维应用于缠绕类压力容器的可能性，本文针对公称工作压力为30 MPa的6.8 L的呼吸气瓶进行了试制，最低设计爆破压力不低于90 MPa，0～30 MPa水压疲劳后气瓶不能泄漏，且爆破压力不低于81 MPa(最低设计压力的90%)用玄武岩纤维代替碳纤维作为增强材料完成气瓶的缠绕，并检验气瓶的水压爆破性能和疲劳性能。气瓶内胆为6061铝合金内胆，几何参数如表2。

表2　LWD145-6.8-2.5铝合金内胆参数

试验设备：武汉理工大学制缠绕机、固化炉、水压试验机、疲劳试验机、水压爆破试验机。

2缠绕气瓶的设计及试制

缠绕角一般按照测地线缠绕的方式来确定，如下式所示：

纵向缠绕纤维设计厚度：

依据设计结果设计缠绕线形，按照环向和螺旋交替的原则进行缠绕，缠绕张力逐层递减。缠绕过程中，玄武岩纤维在经过导纱辊、胶槽的过程中起毛现象不严重,与日本东丽T700S-12K碳纤维缠绕过程相比极为类似；但纤维展纱效果略逊于碳纤维，缠绕完成后气瓶颜色呈黑色。完成缠绕后将气瓶进行固化处理，固化制度为95℃ 1.5h+145℃ 4h，保证树脂固化度不低于90%，表3为缠绕后气瓶重量参数。

表3　缠绕前后气瓶重量

3气瓶水压爆破试验及疲劳试验验证

3.1气瓶水压爆破试验

水压试验：自紧压力为58 MPa保压2 min，水压试验压力为50 MPa保压1 min。水压爆破试验：L05爆破压力98 MPa，达到设计要求(≥90 MPa)。爆破位置的起始段位于气瓶中部，与碳纤维缠绕气瓶的爆破方式极为一致，同时满足国家标准和DOT-CFFC的要求[7]，如图2所示。

图2　典型水压爆破试验后气瓶形貌

3.2疲劳试验

L31号气瓶进行疲劳试验，试验方法为工作压力0～30 MPa压力循环10 000次，疲劳之后爆破压力为89.3 MPa，达到设计要求(81 MPa)。破口位置同样位于直筒段(见图3)。

图3　疲劳试验后水压爆破气瓶形貌

4结论

1.玄武岩纤维作为增强材料适合高压气瓶使用；

2.本研究所试制的玄武岩纤维气瓶爆破压力为98 MPa；0～30 MPa疲劳试验后气瓶并未泄漏，疲劳后爆破压力为89.3 MPa，均满足设计要求。

参考文献：

[1] 霍文静,张佐光,王明超，等.复合材料用玄武岩纤维耐酸碱性实验研究[J].复合材料学报，2007,24(6)：77-82.

[2] 郑志才,葛林海,陈艳，等.玄武岩纤维增强树脂基复合材料力学性能研究[J].航空制造技术，2011(17)：66-69.

[3] 王明超,张佐光,孙志杰，等.连续玄武岩纤维及其复合材料耐腐蚀特性[J].北京航空航天大学报,2006,10(32): 1255-1258.

[4] 林再文,侯涤洋,陈平，等.薄壁铝内衬芳纶缠绕高压气瓶的研制[J].纤维复合材料,2003,20(1):30-32.

[5] 王晓洁,张炜,刘炳禹，等.高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展[J].宇航材料工艺,2003,33(4):20-23.

[6] 刘亚君,金玉娟.车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶设计要点[J].压力容器，2009(12)：20-23.

[7] 周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004(9):32-36.

The Development and Mechanical Tests of 6.8L Basalt Fiber Fully Wrapped Composite Cylinder

HAO Yanping1, LIU Yangtao2

(1.Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035，China；2.Shenyang Zhongfukejin Pressure Vessels Co., Ltd., Shenyang 110141，China)

Abstract:Basalt fiber instead of carbon fiber was used to produce 6.8 L fiber fully wrapped cylinders. The composite layers of the cylinder were determined and the pressure cycle test and burst test were studied in this research. The results show that the burst pressure is 98 MPa, and there is no leap on the cylinder after 0～30 MPa pressure cycle test. The results also show that basalt fiber can be used for manufacturing cylinders.

Key words:basalt fiber；cylinder；burst pressure；pressure cycle test

收稿日期：2016-05-16

中图分类号：TQ051.3

文献标志码：A

文章编号：1007-7804(2016)03-0047-03

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.012

作者简介：

郝延平(1966)，男，高级工程师，现就职于沈阳特种设备研究院。E-mail：haoyanpng@126.com