Page 122 - 无损检测2024年第八期
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胡 昆，等：
复合材料气瓶缠绕层的内部缺陷检测
检测方法、工业CT 方法检测缠绕层内部缺陷。笔 响，缠绕层可能出现的内部缺陷类型有夹杂、空隙、
者在明确缠绕层内部缺陷对气瓶性能影响的基础 基体开裂、纤维/基体脱黏、 分层、纤维断裂等。
上，对比分析了声发射检测方法、红外热成像检测 1.2 内部缺陷的影响分析
方法、工业 CT 方法等缠绕层内部缺陷检测方法， 缠绕层内部缺陷的存在会严重影响气瓶的承
提出了多方法结合的检测方式。 压性能，对其进行相关研究时，当前内部缺陷的制
作手段主要有外部冲击产生内部缺陷及预制内部
1 缠绕层的内部缺陷类型与影响分析
缺陷。缠绕层内部缺陷的相关研究如表 1 所示，
1.1 缠绕层的内部缺陷类型 可见，内部缺陷的存在可导致水压爆破压力下降
复合气瓶在生产过程中可能存在微小空隙等问 9%~69%，疲劳失效次数下降72. 9%，即气瓶耐压
题，且在后续试验或使用过程中，亦可能受瓶体内压 性能、耐疲劳性能显著下降。因此，为了提高复合
循环、内胆与缠绕层复合材料线膨胀系数的差异、弹 材料气瓶的安全性，需要开展缠绕层内部缺陷的检
性模量、延伸率差异以及外部冲击等诸多因素的影 测方法研究。
表1 缠绕层内部缺陷的相关研究
作者 研究内容 研究对象 研究方法 影响分析
跌落冲击可导致机体开裂和纤维断裂。
跌落、冲击对气瓶应力 铝内胆碳纤维
张国晋 [1] 仿真模拟 气瓶以20 m · s 的速度垂直跌落，水压爆破压力降低15.7%。
-1
的影响 缠绕气瓶
-1
速度为10 m · s 的球体冲击气瓶，水压爆破压力降低17.5%。
铝内胆碳纤维 平头、半球头和锥头冲击，碳纤维缠绕层的破坏机制分别以压
WU等 [2] 冲击对气瓶的损伤机理 仿真模拟
缠绕气瓶 缩剪切、拉伸和穿刺为主。
跌落对气瓶疲劳寿命的 铝内胆碳纤维 气瓶经跌落冲击后，疲劳失效次数从17 693次变为4 796次，
赵兵等 [3] 试验
影响 缠绕气瓶 下降了72.9%，疲劳寿命大大降低。
受7，10，15，20，30 J能量冲击后，气瓶水压爆破压力分别为
低速冲击对气瓶极限承 塑料内胆碳纤
廖斌斌 [4] 仿真模拟 34.5，30.5，23.5，19.2，11.6 MPa，下降了 9%，19%，38%，
压性能的影响 维缠绕气瓶
49%，69%。
塑料内胆碳纤 冲击能量达到50 J时，气瓶有17层出现基体受损，其中有4层
魏雪 [5] 冲击对气瓶的损伤 仿真模拟
维缠绕气瓶 发生纤维断裂，气瓶已发生严重破坏。
仿真模拟：面积为250 mm×250 mm（长×宽），深度为3 mm
的体积性损伤，内胆应力几乎未变，缠绕层应力增加38.9%。
碳纤维缠绕层损伤对气 钢内胆玻璃纤 试验+仿真
高兆江等 [6] 试验：含面积为250 mm×250 mm（长×宽）缠绕层损伤的缠
瓶极限承压性能的影响 维缠绕气瓶 模拟
绕气瓶，当损伤深度为3 mm时爆破压力下降9.9%，当损伤深
度为6 mm时水压爆破压力下降20.9%。
2 内部缺陷的检测方法 力产生变形时，会由于释放能量而发射弹性应力波，
利用仪器探测、记录并处理分析声发射信号，便可对
对于复合材料气瓶缠绕层的内部缺陷，目视检
损伤进行判断和定位。声发射技术就是利用以上原
测、射线检测、超声检测、渗透检测、涡流检测、微波
理来判断裂纹萌生和扩展的，是一种动态检测方法。
检测等无损检测方法存在其适用范围和局限性 [7-8] 。
张璐莹 、李伟等 [10] 根据不同缺陷类型的模态
[9]
目视检测适用于宏观表面缺陷，精确度低，无法检
变化规律，研究气瓶损伤声发射动态表征，采用相关
测到内部缺陷；射线检测的影像重叠，使得缺陷评
向量机算法实现了基体开裂、分层损伤、纤维断裂等
判困难；超声检测适用于匀质材料，不适用于非均
匀的缠绕层；渗透检测仅适用于表面缺陷；涡流检 不同缺陷类型的准确识别，气瓶声发射信号模态分
测仅适用于导电材料的表面缺陷；微波检测可检出 布曲线如图 1 所示。LIAO等 [11] 、WANG等 [12] 研究
复合材料中的脱黏、分层、裂缝、孔隙等缺陷，但由 了70 MPa（承压）4型储氢气瓶水压试验、水压爆破
于趋肤效应，不适用于检测导电性能较好的复合材 试验过程中不同缺陷的声发射信号，采用k均值算法
料（如碳纤维缠绕层）内部缺陷。当前，针对复合 和小波包变换对声发射信号进行聚类，出现了基体
材料气瓶缠绕层的内部缺陷，主要的检测方法有声 开裂、纤维/基体脱黏、纤维断裂3种聚类，3种聚类
发射方法、红外热成像方法、工业CT方法等。 信号的数量随着压力的增加而增加，表明损伤随压
2.1 声发射检测方法 力的增加而累积和加重。沈书乾 [13] 对冲击损伤后的
声发射又称应力波发射，检测原理为：材料因受 碳纤维缠绕复合材料气瓶进行声发射监测，根据小
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2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测
