試述碳纖維纏繞復合材料儲氫氣瓶的研制

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氫能為新世紀中有較強發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉粗唬懈吣堋h(huán)保、可再生等等諸多優(yōu)勢，但是當下國內(nèi)氫氣儲藏、運輸技術表現(xiàn)出了明顯的滯后性，這在很大程度上對該種資源的規(guī)模化應用過程起到一定制約作用。高壓氣態(tài)儲存是國恩儲氫的常用方法之一。儲氫氣瓶已經(jīng)有半個多世紀的發(fā)展歷程，從最初的鋼瓶到成功研制了全負荷材料，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等諸多方面均作出巨大改變。由碳纖維復合材料制得的氣瓶優(yōu)勢多多，本文主要對相關研制技術要點加以分析探究。

1 碳纖維復合材料氣瓶研制技術

（1）內(nèi)膽設計。在既往設計鋁內(nèi)膽整體纏繞氣瓶強度階段，通常不考慮內(nèi)膽自體承載能力的問題，從理論層面上分析，增強纖維承載著氣瓶所有的內(nèi)壓。但現(xiàn)實中，在作業(yè)壓力下氣瓶內(nèi)膽從始至終處于拉應力狀態(tài)中，很可能短縮氣瓶疲勞壽命。為更好地滿足儲氫氣瓶自重輕、耐疲勞性優(yōu)良的現(xiàn)實需求，在設計研發(fā)中一定要選擇形狀和規(guī)格適宜的內(nèi)膽。不論是從理論分析，還是生產(chǎn)實踐層面上，針對纖維纏繞鋁內(nèi)膽氣瓶而言，常徑比＞2的圓柱體在性能方面更占據(jù)優(yōu)勢。在研發(fā)制造階段，適度提高內(nèi)膽壁面的厚度值，有益于拓展疲勞裂紋擴展距離，延長氣瓶的使用年限。科學配置氣瓶各層次所占比例，使內(nèi)膽能更好地在密閉條件下提供更大容積，并盡量滿足氣瓶“自重輕”的主觀需求，通常會把內(nèi)膽配置的比重調(diào)控在12～16%之間[1]。在設計內(nèi)膽封頭時，不僅要求其有工藝可設計性的特征，還要符合瓶體結(jié)構(gòu)要求。等應力、平面纏繞、橢球形封頭等均是常見的封頭形式。鋁內(nèi)膽采用無焊縫銜接技術，有助于氫氣瓶的耐疲勞性，壓縮制造成本。使用碳纖維纏繞成型技術制造階段，等應力、橢球型封頭通常是內(nèi)膽常用封頭形式，當確定內(nèi)膽是橢球形時，纏繞成型工藝中可結(jié)合現(xiàn)實需求采用“3-1”或“5-2”線型纖維對封頭進行包裹處理，確保所選用尺寸的適宜性，這樣纖維方能更均勻的覆蓋在內(nèi)膽封頭表層。

（2）內(nèi)膽自緊。儲氫氣瓶長時間處于屢次充氣放氣條件下作業(yè)，出現(xiàn)疲勞損傷的概率較高，故而研制階段對其耐疲勞性提出較高要求。疲勞試驗階段，因碳纖維層在比強度、比模量兩大指標上明顯優(yōu)于鋁內(nèi)膽，于等同的應變下，即便鋁內(nèi)膽己屈服，但碳纖維依然處于低應力狀態(tài)，埋沒了其優(yōu)良的高強度性能。每次對氣瓶進行卸壓后，結(jié)構(gòu)內(nèi)依然滯留著部分殘余應力，這些殘余應力持續(xù)累積會對氣瓶作業(yè)應力、使用壽命形成負面影響。鑒于以上情況，可以將一個預應力施加在氣瓶應用前，形成自緊。通過為儲氣瓶提供一個高于鋁內(nèi)膽屈服應力且低于纖維纏繞層破壞應力的內(nèi)壓，誘導內(nèi)襯形成一定的塑性形變，而后再整體卸載，在這樣的工況下內(nèi)襯的塑性形變不會完全消退，外層纖維纏繞層喪失了局部彈性應力，其余部分會對內(nèi)襯形成外壓作用，使內(nèi)襯各處均承受著外壓，抵達設計的屈服強度，形成較強的自緊效應。在纏繞成型工藝內(nèi)，要求纖維張力需表現(xiàn)出逐步遞減的態(tài)勢，借此方式能使各束纖維更均勻的承受張力更加均勻，實現(xiàn)纖維強度利用效率的最大化。伴隨內(nèi)膽壓應力提升過程，氣瓶耐疲勞性也會做出相應改善。但若自緊壓力過大時，內(nèi)膽自身會在微觀上形成質(zhì)量缺陷且范圍有不斷拓展趨勢，最后損傷氣瓶結(jié)構(gòu)[2]。

（3）纏繞成型工藝。從宏觀上，我們可以將碳纖維纏繞成型工藝細化為濕法、干法纏繞，相比較之下前一種方法應用階段資金投入更好、工藝性優(yōu)良，故而有更廣泛應用。法纏繞工藝常用的設備類型有纖維架、浸膠槽、吐絲嘴以及張力控制設備等。當下，國際范疇中采用的最高端六維纏繞技術在調(diào)控纖維走向方面表現(xiàn)出良好效能，能夠促進環(huán)向、旋向及平面纏繞三者有機整合過程。在現(xiàn)實生產(chǎn)領域，旋向與環(huán)向纏繞相整合的形式應用較多見，其中前者在提供縱向應力、增強氣瓶綜合性能方面表現(xiàn)出療效效能，后者纏繞工藝的作用主要是解除氫氣瓶承受內(nèi)壓時而形成的環(huán)向應力，當下受多方面的制約我國尚不能規(guī)模化制造出大型纏繞設備，但不可否認的事實是纏繞成型工藝在研究方面依然取得一定理想的技術成果。

2 材料與結(jié)構(gòu)性能的完善研究

復合材料自身性能、纏繞結(jié)構(gòu)影響著纏繞氣瓶的性能與功能，當材料所屬類型、纏繞結(jié)構(gòu)及混雜形式下氣瓶性能存在較大差異，故而對以上方面做出改進、完善是提升氫氣瓶研制工作質(zhì)效的有效方法。樹脂類型、纖維類型和纏繞角度均影響著氣瓶的力學性能，既往有學者在研究中發(fā)現(xiàn)，采用差異化的環(huán)氧樹脂體系時對氣瓶的結(jié)構(gòu)性能不會形成顯著影響，主要是由于這些體系之間有較高的相似度；環(huán)向牽拉強度及彈性模量是影響試樣角度的主要因素，和±45°、±25°與0°相比較，90°與±65°的標本值顯著提升；當纏繞角＞60°時，碳纖維結(jié)構(gòu)性能顯著優(yōu)于玻璃纖維。纖維混雜時，混雜疊層次序也影響著氣瓶產(chǎn)品的性能[3]。有人采用ANSYS仿真軟件構(gòu)建了碳/玻璃混雜纖維纏繞氣瓶的分析模型，通過擬化自緊、零壓、作業(yè)與爆破四種工況，獲得了適宜的混雜纖維的當量厚度比。若從降低制造成本的視角出發(fā)，最優(yōu)混雜比應盡量取低值；若為提高爆破壓強，則最優(yōu)混雜比取值應適度提高。

3 結(jié)束語

氫能是一種高效、環(huán)保型能源，在能源資源日益匱乏、各行業(yè)壯大發(fā)展的時代背景下其勢必有廣闊的發(fā)展空間，循序漸進提高氫氣儲運技術水平，是氫能實現(xiàn)規(guī)模化應用的重要支撐。基于碳纖維纏繞成型工藝設計制造出的氫氣瓶能較好地滿足氫氣存儲、運輸要求，確保氣瓶使用過程的安全性，為國民經(jīng)濟健康、持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。