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摘要：本项目采用“柱形不锈钢金属薄壁筒体+高强碳纤维环缠”结构方案，开发了不锈钢碳纤维复合材料结构设计、参数优化及制备、内表面研磨等关键技术，项目产品具有强度高、耐高温、抗冲击、耐疲劳、耐腐蚀、耐介质吸附等优异的性能。
关键词：碳纤维环向缠绕;碳纤维;不锈钢薄壁内衬;无辊浸胶;内表面研磨
航空用碳纤维环向缠绕筒属压力容器范畴，主要应用于航空环境，在系统中对气源装置部件过滤器进行气源过滤。在航空环境中对产品的应用要求十分特殊及苛刻，如产品轻量化需求、使用环境的高低温交变影响、耐高频振动及冲击载荷考核、耐湿热环境、耐盐雾环境、耐霉菌环境、耐砂尘环境等要求。
1、总体方案设计
1.1 产品结构及功能
碳纤维环向缠绕筒由柱形不锈钢金属薄壁筒体，外部缠绕碳纤维组成，筒体内表面通过研磨技术抛光处理，实现内表面粗糙度Ra0.01。碳纤维环向缠绕筒可实现存储28MPa高压气体，其结构示意图见图1所示。
1.2 产品主要技术要求
碳纤维环向缠绕筒主要技术参数见表1。
1.3 产品强度分析
1.3.1 不锈钢薄壁内胆设计
内胆材料选用05Cr17Ni4Cu4Nb，其力学性能见表2。
1.3.2 金属筒体设计壁厚
壁厚设计公式参照GB/T 5099.4-2017《钢质无缝气瓶 第4部分：不锈钢无缝气瓶》进行设计：
经计算得出，金属筒体达到爆破压力≥72.8MPa时，金属筒体最小壁厚不应小于1.63mm。故，金属筒体最小设计厚度≥1.7mm。
为了保证金属筒体达到轻量化要求，金属筒体设计重量不大于400g，对金属筒体筒身部位进行减壁处理，按金属筒体筒身部位承压30MPa计算：
计算得出筒身部位最小壁厚不应小于0.71mm，考虑到加工时的壁厚尺寸控制及爆破余量，筒身部位设计壁厚取值为0.8mm。
金属筒体筒身部位的设计壁厚取0.8mm，根据强度理论计算筒身部位可以满足的最小爆破强度Pb1：
经计算可知，金属筒体筒身部位取S=0.8mm时，金属筒体承压约34MPa且金属筒体重量满足不大于400g。同时，筒身S=0.8mm部位通过碳纤维环向缠绕进行补强，实现复合材料筒爆破压力≥72.8MPa。
1.3工艺流程设计
不锈钢内胆加工工艺：棒料自由锻→粗车内外型→探伤→真空热处理→精车螺纹及内腔→金属筒体成检。
环向缠绕工艺：钢内胆外表面防腐→环向缠绕碳纤维→固化→修磨→自紧/水压→吹干→精车螺纹及内腔→内壁研磨→钝化→成品检验→疲劳试验→爆破试验。
2、產品关
参考文献：键技术
2.1不锈钢超薄壁无缝金属筒体成型技术
碳纤维环向缠绕筒组成中不锈钢金属筒体为薄壁筒体，为了保证轻量化要求，筒身设计壁厚为0.8mm。在机械加工时，设计专用工装夹具，控制车削壁厚差，并合理控制退火工艺消除机加应力影响，防止薄壁件变形，
2.2 碳纤维缠绕成型技术
在不锈钢筒体上环向缠绕高强度碳纤维，在缠绕时张力控制采用张力器控制每股纱的张力，利用张力递减的缠绕工艺，避免由于外层纤维的张力作用使内层出现松弛现象。采用无辊浸胶与施胶量控制降低纤维缠绕过程的损伤，提高生产效率和可靠性。
2.3 内表面研磨技术
碳纤维环向缠绕筒为过滤器部件，在工作中需嵌入芯轴。因此，保证螺纹与内腔同轴及控制内表面粗糙度极为重要。在机械加工中，表面粗糙度能达到Ra1.6，远远达不到本产品要求的粗糙度，因此实施研磨技术非常关键。
在碳纤维环向缠绕筒成型后，内腔装入研磨料及研磨液，端口进行密封，利用离心研磨原理进行径向往返运动可实现内表面粗糙度降低至Ra0.1。为了保证镜面效果，需增加离心抛光，同样采用抛光料及抛光液，利用离心抛光，可达到镜面效果。
3、结论
碳纤维环向缠绕筒在研发之初，对金属筒体进行受力计算及对复合材料层进行有限元分析，可以达到产品需求性能及轻量化要求。内表面研磨处理，实现内壁镜面抛光新技术。可推动轻量化、可应对复杂环境的高压复合材料容器产业化进程。
参考文献：
[1]郑传祥，《复合材料压力容器》，2006.5.
[2]ISO 11119-2：2013《复合气瓶技术条件与试验方法》.
[3]任明法，陈浩然.具有金属内衬复合材料缠绕压力容器的制造工艺全过程应力场的数值分析.
（作者单位：沈阳美茵联合检测有限公司）
关键词：碳纤维环向缠绕;碳纤维;不锈钢薄壁内衬;无辊浸胶;内表面研磨
航空用碳纤维环向缠绕筒属压力容器范畴，主要应用于航空环境，在系统中对气源装置部件过滤器进行气源过滤。在航空环境中对产品的应用要求十分特殊及苛刻，如产品轻量化需求、使用环境的高低温交变影响、耐高频振动及冲击载荷考核、耐湿热环境、耐盐雾环境、耐霉菌环境、耐砂尘环境等要求。
1、总体方案设计
1.1 产品结构及功能
碳纤维环向缠绕筒由柱形不锈钢金属薄壁筒体，外部缠绕碳纤维组成，筒体内表面通过研磨技术抛光处理，实现内表面粗糙度Ra0.01。碳纤维环向缠绕筒可实现存储28MPa高压气体，其结构示意图见图1所示。
1.2 产品主要技术要求
碳纤维环向缠绕筒主要技术参数见表1。
1.3 产品强度分析
1.3.1 不锈钢薄壁内胆设计
内胆材料选用05Cr17Ni4Cu4Nb，其力学性能见表2。
1.3.2 金属筒体设计壁厚
壁厚设计公式参照GB/T 5099.4-2017《钢质无缝气瓶 第4部分：不锈钢无缝气瓶》进行设计：
经计算得出，金属筒体达到爆破压力≥72.8MPa时，金属筒体最小壁厚不应小于1.63mm。故，金属筒体最小设计厚度≥1.7mm。
为了保证金属筒体达到轻量化要求，金属筒体设计重量不大于400g，对金属筒体筒身部位进行减壁处理，按金属筒体筒身部位承压30MPa计算：
计算得出筒身部位最小壁厚不应小于0.71mm，考虑到加工时的壁厚尺寸控制及爆破余量，筒身部位设计壁厚取值为0.8mm。
金属筒体筒身部位的设计壁厚取0.8mm，根据强度理论计算筒身部位可以满足的最小爆破强度Pb1：
经计算可知，金属筒体筒身部位取S=0.8mm时，金属筒体承压约34MPa且金属筒体重量满足不大于400g。同时，筒身S=0.8mm部位通过碳纤维环向缠绕进行补强，实现复合材料筒爆破压力≥72.8MPa。
1.3工艺流程设计
不锈钢内胆加工工艺：棒料自由锻→粗车内外型→探伤→真空热处理→精车螺纹及内腔→金属筒体成检。
环向缠绕工艺：钢内胆外表面防腐→环向缠绕碳纤维→固化→修磨→自紧/水压→吹干→精车螺纹及内腔→内壁研磨→钝化→成品检验→疲劳试验→爆破试验。
2、產品关
参考文献：键技术
2.1不锈钢超薄壁无缝金属筒体成型技术
碳纤维环向缠绕筒组成中不锈钢金属筒体为薄壁筒体，为了保证轻量化要求，筒身设计壁厚为0.8mm。在机械加工时，设计专用工装夹具，控制车削壁厚差，并合理控制退火工艺消除机加应力影响，防止薄壁件变形，
2.2 碳纤维缠绕成型技术
在不锈钢筒体上环向缠绕高强度碳纤维，在缠绕时张力控制采用张力器控制每股纱的张力，利用张力递减的缠绕工艺，避免由于外层纤维的张力作用使内层出现松弛现象。采用无辊浸胶与施胶量控制降低纤维缠绕过程的损伤，提高生产效率和可靠性。
2.3 内表面研磨技术
碳纤维环向缠绕筒为过滤器部件，在工作中需嵌入芯轴。因此，保证螺纹与内腔同轴及控制内表面粗糙度极为重要。在机械加工中，表面粗糙度能达到Ra1.6，远远达不到本产品要求的粗糙度，因此实施研磨技术非常关键。
在碳纤维环向缠绕筒成型后，内腔装入研磨料及研磨液，端口进行密封，利用离心研磨原理进行径向往返运动可实现内表面粗糙度降低至Ra0.1。为了保证镜面效果，需增加离心抛光，同样采用抛光料及抛光液，利用离心抛光，可达到镜面效果。
3、结论
碳纤维环向缠绕筒在研发之初，对金属筒体进行受力计算及对复合材料层进行有限元分析，可以达到产品需求性能及轻量化要求。内表面研磨处理，实现内壁镜面抛光新技术。可推动轻量化、可应对复杂环境的高压复合材料容器产业化进程。
参考文献：
[1]郑传祥，《复合材料压力容器》，2006.5.
[2]ISO 11119-2：2013《复合气瓶技术条件与试验方法》.
[3]任明法，陈浩然.具有金属内衬复合材料缠绕压力容器的制造工艺全过程应力场的数值分析.
（作者单位：沈阳美茵联合检测有限公司）