復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶由內(nèi)至外包括內(nèi)襯材料、過(guò)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(guò)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。高壓儲(chǔ)氫氣瓶制備涉及的關(guān)鍵技術(shù)歸納總結(jié)如下：
1、內(nèi)膽設(shè)計(jì)技術(shù)
在傳統(tǒng)的鋁內(nèi)膽全纏繞氣瓶強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qiáng)纖維承擔(dān)。但事實(shí)上，氣瓶?jī)?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。為同時(shí)滿足儲(chǔ)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(dǎo)致大約減少碳纖維用量的40%
2、碳纖維/樹(shù)脂基體界面連接技術(shù)
碳纖維/樹(shù)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(shù)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(shù)脂基體后可以有效轉(zhuǎn)移到碳纖維。在高壓儲(chǔ)氫瓶抗壓、防爆等特性對(duì)復(fù)合材料界面技術(shù)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(yīng)用較為廣泛，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。
纖維纏繞層的設(shè)計(jì)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(lái)計(jì)算容器封頭、內(nèi)襯、纖維纏繞層的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過(guò)環(huán)向纏繞與旋向纏繞交替進(jìn)行實(shí)現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)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(qiáng)度要求，同時(shí)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(shè)計(jì)的線型能夠正確鋪覆并控制纖維含量。通過(guò)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(guò)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(guò)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(shù)脂基體制備技術(shù)
碳纖維儲(chǔ)氫氣瓶樹(shù)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(shù)脂體系以保障氣瓶的使用壽命。濕法纏繞成型所用的樹(shù)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。環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能，固化工藝簡(jiǎn)單多樣，具有很大的改性空間，并且其來(lái)源廣泛、價(jià)格合理，適用于濕法纏繞工藝體系。國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的研究已相當(dāng)成熟，能夠生產(chǎn)適用于不同纖維界面并滿足相應(yīng)適用條件的樹(shù)脂體系，通過(guò)NOL環(huán)測(cè)試判斷樹(shù)脂基體與纖維的界面粘接性、應(yīng)力傳遞能力等。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵技術(shù)
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