碳纖維儲氫氣瓶的纏繞成型技術分析

氫氣是一種易燃易爆氣體，在高壓儲氫氣瓶中儲氫壓力為35-70MPa，因此氣瓶的設計、生產和使用必須有相應的標準規范，以保障其安全性。

世界上通用的纖維纏繞儲氫氣瓶標準有國際標準化組織的ISO 11439《車用天然氣高壓氣瓶》、歐盟的EN12245《可移動氣瓶全裹覆復合氣瓶》、美國的DOT-CFFC《鋁內膽全纏繞碳纖維增強氣瓶的基本要求》等，但這些標準僅適用于儲氫壓力為40MPa以下的儲氫氣瓶，已經不能滿足目前高壓儲氫的研究。

碳纖維纏繞成型的儲氫氣瓶能夠滿足質量輕、強度大的高壓氫氣儲存與運輸要求，在氫能發展道路上有著舉足輕重的意義。本文帶大家了解一下碳纖維儲氫氣瓶的纏繞成型技術。

1、纖維纏繞層的設計

纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據其結構要求，通常采用層板理論和網格理論來計算容器封頭、內襯，纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。

通過環向纏繞與旋向纏繞交替進行實現多層次結構，選擇適當纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強度要求，同時使封頭處能夠合理鋪覆。

為了實現穩定纏繞，纏繞角度要使纖維在芯模表面落紗穩定且滿足不打滑、不架空兩方面的要求。給纖維施加一定的纏繞張力，在浸膠槽浸潤樹脂后，通過纏繞設備纏繞到芯模內襯上，最后通過烘箱旋轉固化得到制品。

2、選擇合適的張力

纏繞成型工藝中需要合理使用張力控制系統，以保障所設計的線型能夠正確鋪覆并控制纖維含量。通過合理控制纏繞張力，可以提高制品的密實度，從而發揮纖維高強高模特性，提高制品抗內壓能力，改善制品的耐疲勞特性。

當選用張力較大時，可以提高纖維含量，但較大的張力會導致外層纖維擠壓內層纖維，降低膠含量，影響性能；選用張力較小時，會導致氣瓶密實度降低，并產生氣泡和缺陷。

選擇合適的張力是纏繞成型技術的要點之一，纏繞過程中還需要遵循張力遞減原則，隨著纏繞層數的增加不斷減小張力，避免外層纖維張力過大將內層纖維壓曲折，防止出現內緊外松現象，保證各層纖維能夠均勻受力。

3、碳纖維儲氫氣瓶樹脂基體

碳纖維儲氫氣瓶樹脂基體不僅需要滿足氣瓶對力學強度和韌性的要求，同時由于在長期充氣放氣的使用環境中，基體容易發生疲勞損傷，因此需要高強韌耐疲勞樹脂體系以保障氣瓶的使用壽命。

濕法纏繞成型所用的樹脂基體，除了要滿足相應性能外，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的適用期。環氧樹脂具有優異的力學性能、耐熱性能，固化工藝簡單多樣，具有很大的改性空間，并且其來源廣泛價格合理，適用于濕法纏繞工藝體系。

國內對環氧樹脂的研究已相當成熟，能夠生產適用于不同纖維界面并滿足相應適用條件的樹脂體系，通過NOL環測試判斷樹脂基體與纖維的界面粘接性、應力傳遞能力等。

在纏繞成型制備工藝中，常采用大張力提升纖維體積含量，保障氣瓶強度，但較大張力下，纏繞工藝中纖維與設備間的摩擦損傷增大，容易導致纖維產生起毛、斷絲現象，因此需對纖維損傷情況進行改進及穩定性研究。

根據國產纖維和進口纖維的不同，應選擇合適的樹脂-纖維體系和相應的纏繞工藝。由此需要對纏繞專用樹脂體系進行研究，包括配方設計和固化行為研究以及樹脂基體力學性能、耐熱性能、工藝性能研究，以得到高性能氣瓶纏繞專用樹脂基體。

此外，還要研究復合材料界面調控與優化技術，對比分析不同樹脂體系的浸潤性，設計并制備碳纖維的表面處理劑，實現碳纖維與樹脂基體的界面優化。

來源：博實碳纖維

原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：碳纖維儲氫氣瓶的纏繞成型技術分析