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摘要：现阶段，最常采用的潜水外压容器的壳体材料是铝合金，本文重点讨论采用高强度、高模量碳素长纤维复合增强的圆筒形铝合金容器筒体和整体为树脂基缠绕复合材料的筒形壳体。两种筒体均达到了减轻壳体自身的重量和增加耐静水外压的目的。
关键词：缠绕复合;圆筒体;圆管潜水;外压容器
碳纤维缠绕复合材料可以提高圆筒的静水耐压性能。其原因在于在屈曲破坏的初始阶段，圆筒形壳体的周长并非缩小而是增加，沿筒壁表面的母线的长度也增加。因此，当发生屈曲失稳时，无论是沿圆周方向或是母线方向的铺层纤维都将受到张应力。具有高抗张强度和拉伸模量的碳纤维将约束筒体在静水外压作用下的屈曲变形，从而提高筒体的耐静水外压能力，增加它的潜水深度。
一、缠绕复合增强后耐静水外压实验结果的例证
1.铝合金筒体外施加树脂基碳纤维缠绕复合前后的耐压性能对比。选用外径D=29.8mm，内径d=26mm，长l=l00mm的YL-fl铝合金圆筒，筒体外施以三种不同方式的缠绕复合。通过打压实验，测定复合前后的耐静水外压性能，缠绕复合对筒形容器的耐静水外压性能都起到了增强作用，其中以圆周缠绕的增强作用更为明显。轴向缠绕与圆周缠绕若能配合得当可以获得很好的效果。此外，从被打压破坏后的实物看出，复合层为脆性破裂，铝合金筒为塑性变形屈曲破坏，在破坏处铝合金与复合体分离，若能提高两者界面的面结合强度，筒体的耐压性能还将有进一步的提高。
2.破纤维缠绕复合材料圆筒的耐静水外压效果。采用两种不同的正交缠绕铺层方式制作两只内径d=200mm，长l=400mm的承压筒体。第1只为轴向绕一层，然后周向绕一层，交替进行，共铺12层，筒壁厚度为3.5mm。第2只为轴向一层加周向两层，交替进行共铺12层，筒壁厚为4.5mm。经打压实验，测定其破坏压强分别为3.1MPa及5.0MPa。若按相同重量和相同排水体积而采用铝合金材料制作，其计算承压能力仅为1MPa左右。可见选用适当的碳纤维增强树脂基复合材料和工艺制作筒形承压容器，具有很大的减重和增加潜水深度的潜力。采取正交缠绕和螺旋缠绕铺层，顺序为90°（圆周缠绕）-30°（螺旋缠绕）-0°（轴向缠绕）-90°，共铺4层。圆筒外径D=80mm，内径d=76 mm，长Z=120mm。共制作3只。破坏时的压强分别为1.60MPa、1.85MPa及2.00MPa。为了便于对比，还制作了正交缠绕铺层90°-0°-90°圆筒1只，外形尺寸同上。其破坏时的压强为4.75MPa。
3.缠绕复合对承压管的轴向抗压增强作用。筒形潜水外压容器除受到径向均布压载外，还受到轴向压载。以圆管作为承压构件在船舶及其它工程结构中也是经常采用的。当筒为长度与直径之比较大的细长管时，施于轴向的压载造成失稳的威胁随之出现。实验表明，当圆管受到轴向压载时，在开始变形阶段，其横截面的周长总是逐渐增加。无论是产生弹塑性变形，或因失稳而造成折皱和弯曲，其周长将随应力的增加而加大。为提高圆管的轴向承载能力，不论是缠绕复合方法约束管外壁周长的扩展防止圆管表面局部失稳，还是以某种方法约束圆管的轴向弯曲变形防止整体失稳的发生，都可以起到提高圆管结构的抗压强度、刚度和稳定性的作用。实验采用外径D=20mm，内径d=17mm，长Z=153mm的YL-1铝合金管，分为管外壁不予增强（1号）、外壁用碳纤维沿圆周缠绕增强（2号），及沿管壁圆周和轴向两处方向缠绕碳纤维增强（3号）。轴向加载测定其抗失稳性能，当轴向压载在8.28kN时，1号试件明显弯曲呈失稳状态，卸载后的残余应变为1%。在相同载荷下，2号及3号试件均未发生明显弯曲现象。继续加载到13.7kN时，2号试件明显弯曲，残余应变为2.2%，较1号试件的残余应变大;此时3号试件还没有明显弯曲。对3号试件加载到15.5 kN，3号试件的增强纤维复合层沿母线方向有3处出现叉形劈裂，最长的裂缝达37mm，有一处沿周向压折，造成纤维断裂。在加载过程的后期，随着载荷的增加伴有间断性可听到的声发射及从材料试验机表盘上观察到指针的抖动。这表明增强纤维承受的拉应力已超过其强度极限，从而产生非连续断裂。
二、碳纤维复合材料在高压容器中的应用
1.碳纤维复合材料在承受内压容器中的应用。各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器，一般是在内衬材料，如Al、Ti、不锈钢外缠绕复合材料，目前这种金属内衬复合材料广泛用于航天器、汽车、军用飞机等方面。美国SCI具有23年生产复合材料压力容器的经验，并且是薄壁铝合金/碳纤维缠绕压力容器的先驱。金属内衬碳纤维缠绕压力容器，分别对内衬进行检测，结构设计，缠绕成型，对压力容器进行各种试验，如X射线探伤、尺寸检测、水压检测、常温、极限温度疲劳试验等，最終交付产品。
2.碳纤维复合材料在潜水外压容器中的应用。海洋的勘测开发、科学研究及水下武器装备都离不开潜水外压容器，尤其是大深度的潜水装备，对外压容器材料提出了更高的要求。由于碳纤维复合材料强度高、模量大、密度小、尺寸稳定性好、线膨胀系数低，另外，还具有优异的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂腐蚀特性，适用于做大深度的潜水外压容器，如法国的海蟮鱼雷壳体采用碳纤维复合材料，该鱼雷的最大潜水深度超过100 m。目前最常用的潜水外压容器壳体材料是铝合金。据报道，采用碳纤维复合铝合金后壳体耐压强度提高9%～29%，这对于提高壳体的耐静水外压能力，增加潜水深度有明显效果。
三、结论
用高强度、高模量碳纤维对圆筒（或圆管）进行周向缠绕复合，可阻止其截面的扩张和翘曲，阻止或延缓局部失稳的出现。沿母线缠绕复合可阻止其纵向弯曲的发生和延缓弯曲的出现，从而提高抗弯曲的整体稳定性。由此可见，圆筒或圆管的外壁以适当的铺层方法用高强度、高模量的连续纤维进行缠绕复合后，可以在不增加或少许增加自身重量的情况下，对于防止构件局部失稳，增强整体的稳定性，提高承载能力产生明显的效果，即在承压容器重量一定的条件下具有大的承压能力，或是在承压能力一定时具有轻的自身重量。此外，由于碳纤维增强树脂基复合材料具有优异耐海水及耐强酸、碱、溶剂等腐蚀的性能，具有疲劳强度高和良好的振动阻尼性能，比重小（1.7g/cm3左右），线热膨胀系数低（纤维方向为0.2 x10-6℃-1）以及在疲劳裂纹出现时有明显的声发射报警等优越的物理、化学性能，故缠绕复合材料更加适用于大深度的潜水外压容器，例如大深度、低噪声重型鱼雷壳体以及其它深水武器装备等。据报道，法国的海鳝鱼雷壳体已采用碳纤维树脂基复合材料制造。该鱼雷的最大潜水深度超过l00m，最高航速超过50 k n。可以预料，这种用于水下武器及其它深潜器壳体的新材料、新工艺将会在减重、增强、降噪、耐疲劳以及在温度变化的情况下保持外形尺寸的稳定性等方面展现其优越的性能，从而受到重视和应用。
总之，缠绕复合对于提高筒体的耐静水外压能力将产生明显的增强效果。其原因在于在屈曲破坏的初始阶段，圆筒形壳体的周长并非缩小而是增加，沿筒壁表面的母线的长度也增加。因此，当发生屈曲失稳时，无论是沿圆周方向或是母线方向的铺层纤维都将受到张应力。具有高抗张强度和拉伸模量的碳纤维将约束筒体在静水外压作用下的屈曲变形，从而提高筒体的耐静水外压能力，增加它的潜水深度。
参考文献：
[1]赵小鹏.先进复合材料的发展与展望[J]材料工程，2015.7（2）：40-44.
[2]张敏福.碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用[J].材料科学进展，2018.24（3）：35-38.
关键词：缠绕复合;圆筒体;圆管潜水;外压容器
碳纤维缠绕复合材料可以提高圆筒的静水耐压性能。其原因在于在屈曲破坏的初始阶段，圆筒形壳体的周长并非缩小而是增加，沿筒壁表面的母线的长度也增加。因此，当发生屈曲失稳时，无论是沿圆周方向或是母线方向的铺层纤维都将受到张应力。具有高抗张强度和拉伸模量的碳纤维将约束筒体在静水外压作用下的屈曲变形，从而提高筒体的耐静水外压能力，增加它的潜水深度。
一、缠绕复合增强后耐静水外压实验结果的例证
1.铝合金筒体外施加树脂基碳纤维缠绕复合前后的耐压性能对比。选用外径D=29.8mm，内径d=26mm，长l=l00mm的YL-fl铝合金圆筒，筒体外施以三种不同方式的缠绕复合。通过打压实验，测定复合前后的耐静水外压性能，缠绕复合对筒形容器的耐静水外压性能都起到了增强作用，其中以圆周缠绕的增强作用更为明显。轴向缠绕与圆周缠绕若能配合得当可以获得很好的效果。此外，从被打压破坏后的实物看出，复合层为脆性破裂，铝合金筒为塑性变形屈曲破坏，在破坏处铝合金与复合体分离，若能提高两者界面的面结合强度，筒体的耐压性能还将有进一步的提高。
2.破纤维缠绕复合材料圆筒的耐静水外压效果。采用两种不同的正交缠绕铺层方式制作两只内径d=200mm，长l=400mm的承压筒体。第1只为轴向绕一层，然后周向绕一层，交替进行，共铺12层，筒壁厚度为3.5mm。第2只为轴向一层加周向两层，交替进行共铺12层，筒壁厚为4.5mm。经打压实验，测定其破坏压强分别为3.1MPa及5.0MPa。若按相同重量和相同排水体积而采用铝合金材料制作，其计算承压能力仅为1MPa左右。可见选用适当的碳纤维增强树脂基复合材料和工艺制作筒形承压容器，具有很大的减重和增加潜水深度的潜力。采取正交缠绕和螺旋缠绕铺层，顺序为90°（圆周缠绕）-30°（螺旋缠绕）-0°（轴向缠绕）-90°，共铺4层。圆筒外径D=80mm，内径d=76 mm，长Z=120mm。共制作3只。破坏时的压强分别为1.60MPa、1.85MPa及2.00MPa。为了便于对比，还制作了正交缠绕铺层90°-0°-90°圆筒1只，外形尺寸同上。其破坏时的压强为4.75MPa。
3.缠绕复合对承压管的轴向抗压增强作用。筒形潜水外压容器除受到径向均布压载外，还受到轴向压载。以圆管作为承压构件在船舶及其它工程结构中也是经常采用的。当筒为长度与直径之比较大的细长管时，施于轴向的压载造成失稳的威胁随之出现。实验表明，当圆管受到轴向压载时，在开始变形阶段，其横截面的周长总是逐渐增加。无论是产生弹塑性变形，或因失稳而造成折皱和弯曲，其周长将随应力的增加而加大。为提高圆管的轴向承载能力，不论是缠绕复合方法约束管外壁周长的扩展防止圆管表面局部失稳，还是以某种方法约束圆管的轴向弯曲变形防止整体失稳的发生，都可以起到提高圆管结构的抗压强度、刚度和稳定性的作用。实验采用外径D=20mm，内径d=17mm，长Z=153mm的YL-1铝合金管，分为管外壁不予增强（1号）、外壁用碳纤维沿圆周缠绕增强（2号），及沿管壁圆周和轴向两处方向缠绕碳纤维增强（3号）。轴向加载测定其抗失稳性能，当轴向压载在8.28kN时，1号试件明显弯曲呈失稳状态，卸载后的残余应变为1%。在相同载荷下，2号及3号试件均未发生明显弯曲现象。继续加载到13.7kN时，2号试件明显弯曲，残余应变为2.2%，较1号试件的残余应变大;此时3号试件还没有明显弯曲。对3号试件加载到15.5 kN，3号试件的增强纤维复合层沿母线方向有3处出现叉形劈裂，最长的裂缝达37mm，有一处沿周向压折，造成纤维断裂。在加载过程的后期，随着载荷的增加伴有间断性可听到的声发射及从材料试验机表盘上观察到指针的抖动。这表明增强纤维承受的拉应力已超过其强度极限，从而产生非连续断裂。
二、碳纤维复合材料在高压容器中的应用
1.碳纤维复合材料在承受内压容器中的应用。各种航天器和导弹系统需要轻质高性能压力容器，一般是在内衬材料，如Al、Ti、不锈钢外缠绕复合材料，目前这种金属内衬复合材料广泛用于航天器、汽车、军用飞机等方面。美国SCI具有23年生产复合材料压力容器的经验，并且是薄壁铝合金/碳纤维缠绕压力容器的先驱。金属内衬碳纤维缠绕压力容器，分别对内衬进行检测，结构设计，缠绕成型，对压力容器进行各种试验，如X射线探伤、尺寸检测、水压检测、常温、极限温度疲劳试验等，最終交付产品。
2.碳纤维复合材料在潜水外压容器中的应用。海洋的勘测开发、科学研究及水下武器装备都离不开潜水外压容器，尤其是大深度的潜水装备，对外压容器材料提出了更高的要求。由于碳纤维复合材料强度高、模量大、密度小、尺寸稳定性好、线膨胀系数低，另外，还具有优异的耐海水、耐酸、耐碱、耐溶剂腐蚀特性，适用于做大深度的潜水外压容器，如法国的海蟮鱼雷壳体采用碳纤维复合材料，该鱼雷的最大潜水深度超过100 m。目前最常用的潜水外压容器壳体材料是铝合金。据报道，采用碳纤维复合铝合金后壳体耐压强度提高9%～29%，这对于提高壳体的耐静水外压能力，增加潜水深度有明显效果。
三、结论
用高强度、高模量碳纤维对圆筒（或圆管）进行周向缠绕复合，可阻止其截面的扩张和翘曲，阻止或延缓局部失稳的出现。沿母线缠绕复合可阻止其纵向弯曲的发生和延缓弯曲的出现，从而提高抗弯曲的整体稳定性。由此可见，圆筒或圆管的外壁以适当的铺层方法用高强度、高模量的连续纤维进行缠绕复合后，可以在不增加或少许增加自身重量的情况下，对于防止构件局部失稳，增强整体的稳定性，提高承载能力产生明显的效果，即在承压容器重量一定的条件下具有大的承压能力，或是在承压能力一定时具有轻的自身重量。此外，由于碳纤维增强树脂基复合材料具有优异耐海水及耐强酸、碱、溶剂等腐蚀的性能，具有疲劳强度高和良好的振动阻尼性能，比重小（1.7g/cm3左右），线热膨胀系数低（纤维方向为0.2 x10-6℃-1）以及在疲劳裂纹出现时有明显的声发射报警等优越的物理、化学性能，故缠绕复合材料更加适用于大深度的潜水外压容器，例如大深度、低噪声重型鱼雷壳体以及其它深水武器装备等。据报道，法国的海鳝鱼雷壳体已采用碳纤维树脂基复合材料制造。该鱼雷的最大潜水深度超过l00m，最高航速超过50 k n。可以预料，这种用于水下武器及其它深潜器壳体的新材料、新工艺将会在减重、增强、降噪、耐疲劳以及在温度变化的情况下保持外形尺寸的稳定性等方面展现其优越的性能，从而受到重视和应用。
总之，缠绕复合对于提高筒体的耐静水外压能力将产生明显的增强效果。其原因在于在屈曲破坏的初始阶段，圆筒形壳体的周长并非缩小而是增加，沿筒壁表面的母线的长度也增加。因此，当发生屈曲失稳时，无论是沿圆周方向或是母线方向的铺层纤维都将受到张应力。具有高抗张强度和拉伸模量的碳纤维将约束筒体在静水外压作用下的屈曲变形，从而提高筒体的耐静水外压能力，增加它的潜水深度。
参考文献：
[1]赵小鹏.先进复合材料的发展与展望[J]材料工程，2015.7（2）：40-44.
[2]张敏福.碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用[J].材料科学进展，2018.24（3）：35-38.