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碳纖維全纏繞超高壓氫氣瓶

高壓儲(chǔ)氣瓶主要分為四個(gè)類型：

• 全金屬氣瓶（ Ⅰ型）
• 金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（Ⅱ型）
• 金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型），一般為鋁合金內(nèi)膽
• 非金屬內(nèi)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(yè)氧氣、氮?dú)馄?，難以滿足氫燃料電池汽車的儲(chǔ)氫密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，具有重量與氣體容積比小、單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氣密度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于新能源汽車。

       超高壓儲(chǔ)氫氣瓶的公稱工作壓力主要有兩個(gè)壓力級(jí)別：35MPa和70MPa。續(xù)駛里程和車載氣瓶的容積、數(shù)量和壓力有關(guān)，一般在300公里到700公里之間。80MPa超高壓儲(chǔ)氫氣瓶正在研制過程中。

       復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護(hù)層、緩沖層。儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行充氣的周期可能較長(zhǎng)，而氫氣在高壓下又具有很強(qiáng)的滲透性，所以氫氣儲(chǔ)罐內(nèi)襯材料要有良好的阻隔功能，以保證大部分的氣體能夠儲(chǔ)存于容器中。

       纖維纏繞層選用碳纖維作為增強(qiáng)材料， 高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術(shù)而制備的復(fù)合材料氣瓶不僅結(jié)構(gòu)合理、重量輕，而且良好的工藝性和可設(shè)計(jì)性在儲(chǔ)氫氣瓶制備上具有廣闊的應(yīng)用空間。

       除了最主要的碳纖維材料以外，高壓儲(chǔ)氫氣瓶制備涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

      1、內(nèi)膽設(shè)計(jì)技術(shù)

      傳統(tǒng)的鋁合金內(nèi)膽在工作壓力下始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，這是制約氣瓶疲勞壽命的關(guān)鍵 。

      2、碳纖維/樹脂基體界面連接技術(shù)

      碳纖維/樹脂基體間界面是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，而界面脫粘是復(fù)合材料失效主要方式之一。由于碳纖維拉伸強(qiáng)度、拉伸模量要顯著高于樹脂基體，因此碳纖維作為復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)材料，而界面作用體現(xiàn)在外部載荷作用于樹脂基體后可以有效轉(zhuǎn)移到碳纖維。

      3、纖維纏繞成型技術(shù)

      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(shè)備主要包括纖維架、張力控制設(shè)備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉(zhuǎn)芯模結(jié)構(gòu)。國(guó)際上較先進(jìn)的六維纏繞技術(shù)能夠很好地控制纖維走向，實(shí)現(xiàn)環(huán)向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結(jié)合。實(shí)際生產(chǎn)中多采用旋向纏繞與環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式，環(huán)向纏繞可消除氣瓶受內(nèi)壓而產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力， 旋向纏繞可提供縱向應(yīng)力，提升氣瓶整體性能。

      4、纖維纏繞成型張力控制技術(shù)

      纏繞成型工藝中需要合理使用張力控制系統(tǒng)，以保障所設(shè)計(jì)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(shí)度，從而發(fā)揮纖維高強(qiáng)高模特性，提高制品抗內(nèi)壓能力，改善制品的耐疲勞特性。

      當(dāng)選用張力較大時(shí)，可以提高纖維含量，但較大的張力會(huì)導(dǎo)致外層纖維擠壓內(nèi)層纖維，降低膠含量，影響性能；選用張力較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣瓶密實(shí)度降低，并產(chǎn)生氣泡和缺陷 。選擇合適的張力是纏繞成型技術(shù)的要點(diǎn)之一，纏繞過程中還需要遵循張力遞減原則， 隨著纏繞層數(shù)的增加不斷減小張力，避免外層纖維張力過大將內(nèi)層纖維壓曲折，防止出現(xiàn)內(nèi)緊外松現(xiàn)象， 保證各層纖維能夠均勻受力。

      5、高強(qiáng)韌、耐疲勞的高性能樹脂基體制備技術(shù)

      碳纖維儲(chǔ)氫氣瓶樹脂基體不僅需要滿足氣瓶對(duì)力學(xué)強(qiáng)度和韌性的要求， 同時(shí)由于在長(zhǎng)期充氣放氣的使用環(huán)境中，基體容易發(fā)生疲勞損傷， 因此需要高強(qiáng)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(yīng)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(zhǎng)的適用期 。