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碳纖維全纏繞超高壓氫氣瓶

2022.06.24來源:

高壓儲氣瓶主要分為四個類型:

  • 全金屬氣瓶( Ⅰ型)
  • 金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(Ⅱ型)
  • 金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型),一般為鋁合金內膽
  • 非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。

       其中,Ⅰ型、Ⅱ型重量與氣體容積比大,主要用于工業氧氣、氮氣瓶,難以滿足氫燃料電池汽車的儲氫密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結構,具有重量與氣體容積比小、單位質量儲氣密度高等優點,目前已廣泛應用于新能源汽車。

       超高壓儲氫氣瓶的公稱工作壓力主要有兩個壓力級別:35MPa和70MPa。續駛里程和車載氣瓶的容積、數量和壓力有關,一般在300公里到700公里之間。80MPa超高壓儲氫氣瓶正在研制過程中。

       復合材料儲氫氣瓶由內至外包括內襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層、緩沖層。儲氫氣瓶進行充氣的周期可能較長,而氫氣在高壓下又具有很強的滲透性,所以氫氣儲罐內襯材料要有良好的阻隔功能,以保證大部分的氣體能夠儲存于容器中。


       纖維纏繞層選用碳纖維作為增強材料, 高強度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術而制備的復合材料氣瓶不僅結構合理、重量輕,而且良好的工藝性和可設計性在儲氫氣瓶制備上具有廣闊的應用空間。

       除了最主要的碳纖維材料以外,高壓儲氫氣瓶制備涉及的關鍵技術如下:

      1、內膽設計技術

      傳統的鋁合金內膽在工作壓力下始終處于拉應力狀態,這是制約氣瓶疲勞壽命的關鍵 。

      2、碳纖維/樹脂基體界面連接技術

      碳纖維/樹脂基體間界面是影響復合材料性能的關鍵,而界面脫粘是復合材料失效主要方式之一。由于碳纖維拉伸強度、拉伸模量要顯著高于樹脂基體,因此碳纖維作為復合材料主承力結構材料,而界面作用體現在外部載荷作用于樹脂基體后可以有效轉移到碳纖維。

      3、纖維纏繞成型技術

      碳纖維纏繞成型工藝最常用的濕法纏繞。由于其成本較低、工藝性好。濕法纏繞設備主要包括纖維架、張力控制設備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉芯模結構。國際上較先進的六維纏繞技術能夠很好地控制纖維走向,實現環向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結合。實際生產中多采用旋向纏繞與環向纏繞相結合的方式,環向纏繞可消除氣瓶受內壓而產生的環向應力, 旋向纏繞可提供縱向應力,提升氣瓶整體性能。

      4、纖維纏繞成型張力控制技術

      纏繞成型工藝中需要合理使用張力控制系統,以保障所設計的線型能夠正確鋪覆并控制纖維含量。通過合理控制纏繞張力,可以提高制品的密實度,從而發揮纖維高強高模特性,提高制品抗內壓能力,改善制品的耐疲勞特性。

      當選用張力較大時,可以提高纖維含量,但較大的張力會導致外層纖維擠壓內層纖維,降低膠含量,影響性能;選用張力較小時,會導致氣瓶密實度降低,并產生氣泡和缺陷 。選擇合適的張力是纏繞成型技術的要點之一,纏繞過程中還需要遵循張力遞減原則, 隨著纏繞層數的增加不斷減小張力,避免外層纖維張力過大將內層纖維壓曲折,防止出現內緊外松現象, 保證各層纖維能夠均勻受力。

      5、高強韌、耐疲勞的高性能樹脂基體制備技術

      碳纖維儲氫氣瓶樹脂基體不僅需要滿足氣瓶對力學強度和韌性的要求, 同時由于在長期充氣放氣的使用環境中,基體容易發生疲勞損傷, 因此需要高強韌、耐疲勞樹脂體系以保障氣瓶的使用壽命。濕法纏繞成型所用的樹脂基體, 除了要滿足相應性能外,還要求其在工作溫度下具有較低的初始粘度以及在該溫度下具有較長的適用期 。


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