鋁合金在車載LNG氣瓶上的應(yīng)用前景

余謙+段武+夏園園

摘 要：隨著全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，輕量化已成為車輛的主導(dǎo)發(fā)展方向，車載LNG氣瓶的輕量化，對(duì)LNG汽車的輕量化有著巨大意義；鋁合金及其特有的優(yōu)點(diǎn)，為車載LNG氣瓶材質(zhì)的應(yīng)用提供了方向。

關(guān)鍵詞：鋁合金；車載LNG氣瓶；輕量化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.241

0 引言

現(xiàn)在世界能源生產(chǎn)總量中，天然氣已占到1/3，并有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)逐步將現(xiàn)時(shí)廣受歡迎的石油和煤炭擠到次要地位。液化天然氣作為一種細(xì)分市場(chǎng)產(chǎn)品，它的消耗量正以每年10%的速度增長(zhǎng)，全球液化天然氣需求將從2010年的2.18億噸增至2015年的3.1億噸，到2020年可達(dá)到4.1億噸。

LNG作為可持續(xù)發(fā)展清潔能源，具有明顯的環(huán)境效益及社會(huì)效益，以LNG取代燃油后可以減少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，環(huán)境效益十分明顯，是汽車的優(yōu)質(zhì)代用燃料。在世界能源日趨緊張，大氣污染極為嚴(yán)重的今天，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域尤其是重型卡車上大力推廣清潔能源，降低石油消耗，減少排放污染，將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，輕量化已成為車輛的主導(dǎo)發(fā)展方向，由于車載LNG氣瓶的限制，LNG汽車自重較大，在車輛追求輕量化的發(fā)展方向上，有著一定的制約。

近年來(lái)，我國(guó)有色金屬壓力容器設(shè)計(jì)制造水平不斷提高，但國(guó)內(nèi)壓力容器主要材料仍為傳統(tǒng)鋼材料，導(dǎo)致能耗及重量較大，不但耗費(fèi)了更多的資源，也降低了容器的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。鋁合金以其特有的物理性質(zhì)，密度小（約為鐵的1/3），以及良好的低溫力學(xué)性能，在壓力容器中得到廣泛推廣應(yīng)用，為車載LNG氣瓶提供了一定的基礎(chǔ)，并為氣瓶輕量化提供了新的方向

1 鋁合金材料的特點(diǎn)

相對(duì)于壓力容器常用的鋼材而言，鋁合金能夠在壓力容器應(yīng)用，主要具有以下特點(diǎn)：

（1）耐腐蝕性。耐腐蝕性是有色金屬壓力容器最重要的用途之一，由于鋁合金的化學(xué)性能各不相同，其耐腐蝕介質(zhì)范圍和程度也各不相同。

（2）傳熱性。鋁合金的熱導(dǎo)率是鋼鐵材料的幾倍，從熱導(dǎo)性方面來(lái)講，鋁合金是一種僅次于銅的優(yōu)良熱導(dǎo)性材料。

（3）比強(qiáng)度高。常用的結(jié)構(gòu)材料中，鋁材的密度較小，同鋼材相比，其比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比）更高。對(duì)于移動(dòng)式壓力容器，材料的比強(qiáng)度更高意味著設(shè)備重量更輕，運(yùn)輸過(guò)程中可以降低能耗，節(jié)約成本。

（4）耐低溫性。鋁合金的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，由于面心立方的晶體結(jié)構(gòu)各方面的協(xié)調(diào)能力特別好，因此，當(dāng)鋁合金壓力容器在溫度很低的工況下使用時(shí)，也不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，不僅如此，鋁合金的輕度和人性也不會(huì)降低，反而會(huì)具有良好的力學(xué)性能。鋁合金耐低溫性能，可至-269℃，無(wú)需任何附加要求。

2 鋁合金在氣瓶上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

（1）耐低溫型。車載LNG氣瓶屬于低溫容器，其設(shè)計(jì)溫度一般為-196℃，一般的材料在這個(gè)溫度下，會(huì)產(chǎn)生低溫脆性；而鋁合金可以在溫度很低的工況下使用，其耐低溫性能，可至-269℃，甚至在低溫的條件下，鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)有所提高，斷裂韌性也會(huì)提高，滿足車載LNG氣瓶的溫度方面的設(shè)計(jì)需求。

（2）比強(qiáng)度高。比強(qiáng)度是材料的強(qiáng)度（斷開(kāi)時(shí)單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強(qiáng)度-重量比，比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕。現(xiàn)有車載LNG氣瓶多為不銹鋼材質(zhì)，密度高，由于材料限制，氣瓶自重較重。而鋁合金的比強(qiáng)度較高，車載LNG氣瓶屬于移動(dòng)式壓力容器，較高的比強(qiáng)度帶來(lái)較低的自重，使車載LNG氣瓶在使用過(guò)程中可以降低能耗，節(jié)約成本。

（3）耐腐蝕性好。車載LNG氣瓶運(yùn)行的環(huán)境多為露天環(huán)境，需要對(duì)大氣環(huán)境有良好的耐腐蝕性能。鋁合金在使用過(guò)程中，由于鋁合金與空氣中的氧氣極易發(fā)生氧化反應(yīng)，使其外表面形成一層致密的氧化膜，其吸附能力極強(qiáng)，足以使鋁合金具有極強(qiáng)的耐大氣腐蝕性。

3 鋁合金在氣瓶上應(yīng)用一些問(wèn)題

（1）鋁合金熱傳導(dǎo)高，車載LNG氣瓶需要?dú)馄康慕^熱性能好，因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮鋁合金的這個(gè)特性，優(yōu)化氣瓶結(jié)構(gòu)，盡可能減少傳熱。

（2）鋁材在高溫下易于空氣中的氧反應(yīng)，生成三氧化二鋁薄膜；該氧化膜會(huì)提高其耐腐蝕性能，但改氧化膜會(huì)對(duì)鋁合金的焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，在焊接過(guò)程中，需要有良好的保護(hù)。

（3）焊接時(shí)鋁合金熔池凝固時(shí)的體收縮率約為鋼的兩倍，因而鋁合金焊縫容易產(chǎn)生縮孔、縮松及熱裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

車載LNG氣瓶作為L(zhǎng)NG汽車燃料系統(tǒng)的核心裝備，節(jié)能減排的大環(huán)境下，輕量化成為其主要發(fā)展方向，鋁合金在車載LNG氣瓶上應(yīng)用雖然存在許多問(wèn)題，但其在某些方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是輕量化的方向上，有著巨大的潛力。加強(qiáng)車載LNG氣瓶對(duì)鋁合金的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，對(duì)LNG氣瓶及汽車的輕量化有著巨大意義。

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