2022年氢燃料电池产业高峰论坛
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复合材料储氢瓶关键技术

        复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。储氢气瓶进行充气的周期可能较长,而氢气在高压下又具有很强的渗透性,所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能,以保证大部分的气体能够储存于容器中。

 


        纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料,高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术而制备的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻,而且良好的工艺性和可设计性在储氢气瓶制备上具有广阔的应用空间。高压储氢气瓶制备涉及的关键技术归纳总结如下:

1、内胆设计技术

        在传统的铝内胆全缠绕气瓶强度设计中,一般不考虑内胆承载,理论上气瓶的内压完全由增强纤维承担。但事实上,气瓶内胆在工作压力下始终处于拉应力状态,这是制约气瓶疲劳寿命的关键。为同时满足储氢气瓶重量轻、耐疲劳性好的要求,选择合适的内胆形状与尺寸意义重大。

 

Innovations to the plastic liner configuration and efficient layering pattern resulted in a reduction of approximately 40% in the amount of carbon fiber used

丰田2代塑料内胆配置的创新和高效分层模式导致大约减少碳纤维用量的40%

2、碳纤维/树脂基体界面连接技术

        碳纤维/树脂基体间界面是影响复合材料性能的关键,而界面脱粘是复合材料失效主要方式之一。由于碳纤维拉伸强度、拉伸模量要显著高于树脂基体,因此碳纤维作为复合材料主承力结构材料,而界面作用体现在外部载荷作用于树脂基体后可以有效转移到碳纤维。在高压储氢瓶抗压、防爆等特性对复合材料界面技术有较高要求。

3、纤维缠绕成型技术

        碳纤维缠绕成型工艺可分为湿法缠绕和干法缠绕,其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好,因此应用较为广泛,湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。国际上较先进的六维缠绕技术能够很好地控制纤维走向,实现环向缠绕、旋向缠绕以及平面缠绕相结合。实际生产中多采用旋向缠绕与环向缠绕相结合的方式,环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力,旋向缠绕可提供纵向应力,提升气瓶整体性能。

        纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性,根据其结构要求,通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况,进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构,选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型,不仅满足强度要求,同时使封头处能够合理铺覆。

4、纤维缠绕成型张力控制技术

        缠绕成型工艺中需要合理使用张力控制系统,以保障所设计的线型能够正确铺覆并控制纤维含量。通过合理控制缠绕张力,可以提高制品的密实度,从而发挥纤维高强高模特性,提高制品抗内压能力,改善制品的耐疲劳特性

氢燃料电池车迎黄金发展10年,储氢气瓶复合材料缠绕层仿真路在何方?

        当选用张力较大时,可以提高纤维含量,但较大的张力会导致外层纤维挤压内层纤维,降低胶含量,影响性能; 选用张力较小时,会导致气瓶密实度降低,并产生气泡和缺陷。选择合适的张力是缠绕成型技术的要点之一,缠绕过程中还需要遵循张力递减原则,随着缠绕层数的增加不断减小张力,避免外层纤维张力过大将内层纤维压曲折,防止出现内紧外松现象,保证各层纤维能够均匀受力。

5、高强韧、耐疲劳的高性能树脂基体制备技术

        碳纤维储氢气瓶树脂基体不仅需要满足气瓶对力学强度和韧性的要求,同时由于在长期充气放气的使用环境中,基体容易发生疲劳损伤,因此需要高强韧、耐疲劳树脂体系以保障气瓶的使用寿命。湿法缠绕成型所用的树脂基体,除了要满足相应性能外,还要求其在工作温度下具有较低的初始粘度以及在该温度下具有较长的适用期。环氧树脂具有优异的力学性能、耐热性能,固化工艺简单多样,具有很大的改性空间,并且其来源广泛、价格合理,适用于湿法缠绕工艺体系。国内对环氧树脂的研究已相当成熟,能够生产适用于不同纤维界面并满足相应适用条件的树脂体系,通过NOL环测试判断树脂基体与纤维的界面粘接性、应力传递能力等。

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作者 ab, ab