復合材料儲氫氣瓶由內(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(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(jié)構(gòu)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。高壓儲氫氣瓶制備涉及的關鍵技術歸納總結(jié)如下：
在傳統(tǒng)的鋁內(nèi)膽全纏繞氣瓶強度設計中，一般不考慮內(nèi)膽承載，理論上氣瓶的內(nèi)壓完全由增強纖維承擔。但事實上，氣瓶內(nèi)膽在工作壓力下始終處于拉應力狀態(tài)，這是制約氣瓶疲勞壽命的關鍵。為同時滿足儲氫氣瓶重量輕、耐疲勞性好的要求，選擇合適的內(nèi)膽形狀與尺寸意義重大。
豐田2代塑料內(nèi)膽配置的創(chuàng)新和高效分層模式導致大約減少碳纖維用量的40%
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(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。在高壓儲氫瓶抗壓、防爆等特性對復合材料界面技術有較高要求。
碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞，其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好，因此應用較為廣泛，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(zhuǎn)芯模結(jié)構(gòu)。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(xiàn)環(huán)向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結(jié)合。實際生產(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)向應力，旋向纏繞可提供縱向應力，提升氣瓶整體性能。
纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)要求，通常采用層板理論和網(wǎng)格理論來計算容器封頭、內(nèi)襯、纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過環(huán)向纏繞與旋向纏繞交替進行實現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，選擇適當纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強度要求，同時使封頭處能夠合理鋪覆。
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(fā)揮纖維高強高模特性，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(nèi)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(chǎn)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(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。
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(huán)境中，基體容易發(fā)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。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學性能、耐熱性能，固化工藝簡單多樣，具有很大的改性空間，并且其來源廣泛、價格合理，適用于濕法纏繞工藝體系。國內(nèi)對環(huán)氧樹脂的研究已相當成熟，能夠生產(chǎn)適用于不同纖維界面并滿足相應適用條件的樹脂體系，通過NOL環(huán)測試判斷樹脂基體與纖維的界面粘接性、應力傳遞能力等。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：復合材料儲氫瓶關鍵技術
