鋁合金在車載LNG氣瓶上的應用前景

余謙+段武+夏園園

摘 要：隨著全球節能減排的大環境下，輕量化已成為車輛的主導發展方向，車載LNG氣瓶的輕量化，對LNG汽車的輕量化有著巨大意義；鋁合金及其特有的優點，為車載LNG氣瓶材質的應用提供了方向。

關鍵詞：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

現在世界能源生產總量中，天然氣已占到1/3，并有可能在不遠的將來逐步將現時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分市場產品，它的消耗量正以每年10%的速度增長，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年可達到4.1億噸。

LNG作為可持續發展清潔能源，具有明顯的環境效益及社會效益，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，環境效益十分明顯，是汽車的優質代用燃料。在世界能源日趨緊張，大氣污染極為嚴重的今天，在交通運輸領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，將是未來發展的趨勢。全球節能減排的大環境下，輕量化已成為車輛的主導發展方向，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展方向上，有著一定的制約。

近年來，我國有色金屬壓力容器設計制造水平不斷提高，但國內壓力容器主要材料仍為傳統鋼材料，導致能耗及重量較大，不但耗費了更多的資源，也降低了容器的經濟性和競爭力。鋁合金以其特有的物理性質，密度?。s為鐵的1/3），以及良好的低溫力學性能，在壓力容器中得到廣泛推廣應用，為車載LNG氣瓶提供了一定的基礎，并為氣瓶輕量化提供了新的方向

1 鋁合金材料的特點

相對于壓力容器常用的鋼材而言，鋁合金能夠在壓力容器應用，主要具有以下特點：

（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，由于鋁合金的化學性能各不相同，其耐腐蝕介質范圍和程度也各不相同。

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

（3）比強度高。常用的結構材料中，鋁材的密度較小，同鋼材相比，其比強度（抗拉強度與密度之比）更高。對于移動式壓力容器，材料的比強度更高意味著設備重量更輕，運輸過程中可以降低能耗，節約成本。

（4）耐低溫性。鋁合金的晶體結構為面心立方結構，由于面心立方的晶體結構各方面的協調能力特別好，因此，當鋁合金壓力容器在溫度很低的工況下使用時，也不會發生脆性斷裂，不僅如此，鋁合金的輕度和人性也不會降低，反而會具有良好的力學性能。鋁合金耐低溫性能，可至-269℃，無需任何附加要求。

2 鋁合金在氣瓶上應用的優勢

（1）耐低溫型。車載LNG氣瓶屬于低溫容器，其設計溫度一般為-196℃，一般的材料在這個溫度下，會產生低溫脆性；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，鋁合金的抗拉強度和屈服強度會有所提高，斷裂韌性也會提高，滿足車載LNG氣瓶的溫度方面的設計需求。

（2）比強度高。比強度是材料的強度（斷開時單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強度-重量比，比強度越高表明達到相應強度所用的材料質量越輕?，F有車載LNG氣瓶多為不銹鋼材質，密度高，由于材料限制，氣瓶自重較重。而鋁合金的比強度較高，車載LNG氣瓶屬于移動式壓力容器，較高的比強度帶來較低的自重，使車載LNG氣瓶在使用過程中可以降低能耗，節約成本。

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

3 鋁合金在氣瓶上應用一些問題

（1）鋁合金熱傳導高，車載LNG氣瓶需要氣瓶的絕熱性能好，因而在設計過程中，需要考慮鋁合金的這個特性，優化氣瓶結構，盡可能減少傳熱。

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

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

4 結語

車載LNG氣瓶作為LNG汽車燃料系統的核心裝備，節能減排的大環境下，輕量化成為其主要發展方向，鋁合金在車載LNG氣瓶上應用雖然存在許多問題，但其在某些方面具有獨特的優勢，特別是輕量化的方向上，有著巨大的潛力。加強車載LNG氣瓶對鋁合金的開發及應用，對LNG氣瓶及汽車的輕量化有著巨大意義。

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