Ⅳ型儲氫瓶采用非金屬內膽纖維全纏繞結構，具有重量輕、儲氫密度高、壽命長等優點，廣泛應用于氫燃料電池汽車。其結構從內至外依次包括內膽（PA6、PA11、HDPE等）、中間層（CFRP碳纖維增強復合材料）和表層（GFRP玻璃纖維增強復合材料），整體具備優異的耐壓性和阻氣性。
IV型瓶的制造主要涉及復合材料、閥門、調節器、組裝檢查等，生產制造流程如下圖所示。可以看到高壓氫瓶的生產過程主要包括：
（1）內膽制造（將熱塑性烯烴聚合物制成內膽）
（2）纖維纏繞成型
（3）檢測和裝配
Ⅳ型瓶生產流程圖
一、內膽制造
IV型瓶內膽多采用PA6、高密度聚乙烯（HDPE）以及PET聚酯塑料等，對應的成型工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。
1.? 注塑
注塑是將塑料材料熔融然后注入模腔，熔融的塑料一旦進入模具中冷卻后就會依模腔樣成型。
注塑儲氫瓶，圖源：未勢能源
注塑成型一般搭配焊接制備儲氫瓶，成本較低，應用也比較廣泛，可提供高精度和尺寸穩定性，但存在連接塑料內膽與金屬瓶閥座的技術挑戰。豐田、現代已量產的IV型瓶均為注塑+焊接工藝。
2.? 吹塑
吹塑是在閉合的模具內利用壓縮空氣將擠出或注射成型得到的半熔融狀態的塑料型坯吹脹，然后冷卻而獲得中空制件的一種加工方法。
吹塑成型儲氫瓶，圖源：海控復材
3.? 滾塑
滾塑是將粉狀塑料裝入模具，然后旋轉并同時加熱，模內的粉料逐漸熔融粘附于模腔，經冷卻定型而制得塑料產品。
滾塑成型儲氫瓶，圖源：六拓新材
吹塑和滾塑成型都提供了一體成型的可能性，滾塑成型還允許金屬瓶閥座與塑料內膽在線連接，展現了更大的發展潛力和應用價值，但目前還面臨著成型精度和周期等挑戰。
二、纏繞成型
碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞，其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好，因此應用較為廣泛。
1、濕法纏繞
濕法纏繞工藝是將碳纖維絲束在特定浸膠裝置中浸漬處理后，再在張力控制下直接纏繞到芯模上，最后經過固化的成型方法。設備主要包括纖維架、張力控制設備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉芯模結構。
濕法纏繞工藝流程圖
其優點主要如下：
（1）生產成本較低，約比干法纏繞低 40%。涉及的工藝設備比較簡單，設備投資小，且對原材料要求相對較低。
（2）產品氣密性好，在纏繞過程中，通過張力控制可以使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙。
（3）碳纖維表面浸漬的樹脂膠液可有效減少纖維磨損。
（4）纖維排列平行度好。
2、干法纏繞
干法纏繞工藝以經過預浸膠處理的預浸帶為原料，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態后纏繞到芯模上。
干法纏繞工藝流程圖
其優點主要有：
（1）專業生產的預浸紗線/帶，可以保證嚴格控制纖維和樹脂（精確至2%以內）含量比例，產品質量好且穩定；
（2）生產效率高，纏繞速度可達100-200m/min；
（3）纏繞設備及生產環境衛生整潔，便于清理，纏繞機的使用壽命也更長。
3、FW成型纏繞方式
纖維纏繞過程是按照一定的規則，將浸漬有樹脂膠的連續纖維或布帶纏繞在芯模上，然后將其固化和脫模。
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。
（1）環向纏繞
環向纏繞是沿容器圓周方向進行的纏繞。纏繞時芯模繞自己軸線作勻速運動，導絲頭在平行于芯模軸線方向的筒身區間運動。芯模每轉一周，導絲頭移動距離為一個紗片寬。如此循環下去，直至紗片均勻布滿芯模圓筒段表面為止。?
環向纏繞的特點是纏繞只能在筒身段進行，不能纏到封頭上去。鄰近紗片間相接而不重疊，纖維的纏繞角通常在85°~90°之間。
環向纏繞示意圖
（2）螺旋纏繞
螺旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時芯模繞自己軸線勻速轉動，導絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復運動，這樣就在芯模的筒身和封頭上實現了螺旋纏繞,其纏繞角約為12°~70°。
在螺旋纏繞中，纖維纏繞不僅在筒身段進行，而且在封頭上也進行。
螺旋纏繞示意圖
其纏繞過程為：纖維從容器一端的極孔圓周上某一點出發，沿著封頭曲面上與極孔圓相切的曲線繞過封頭，并按螺旋線軌跡繞過圓筒段，進入另一端封頭，然后再返回到圓筒段，最后繞回到開始纏 繞的封頭，如此循環下去，直至芯模表面均勻布滿纖維為止。
當纖維均勻纏滿芯模表面時，就構成了雙層纖維層。為保證纏繞后的氣瓶滿足使用的壓力要求，其纏繞方式一般選擇環向纏繞和螺旋纏繞相結合的方式。
儲氫瓶纏繞工藝
圖源：Roth Werke
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。
（3）平面纏繞
平面纏繞又稱為縱向纏繞。縱向纏繞時芯模繞軸線慢速旋轉，導絲頭在固定平面內做勻速圓周運動，導絲頭轉動一周，芯模的轉角是一個紗片的寬度。紗片與芯模軸線間成0°~25°交角，纖維軌跡是一條單圓平面封閉曲線。
平面纏繞示意圖，圖源：濟南大學
平面纏繞示例，圖源：海控復材
三、儲氫瓶檢測
2023年發布的標準GB/T 42612-2023《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》規定了高壓儲氫瓶的各項型式試驗的要求及合格指標，該標準于2024年6月1日正式實施。
該標準明確了車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維纏繞氣瓶的設計、制造、測試、檢驗及儲運等全方位要求，為行業提供了詳盡技術規范，促進了儲氫瓶標準體系的完善，對氫能技術及產業的快速發展具有重要推動作用。
車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶試驗方法及合格指標
圖源：特嗨氫能檢測
來源：艾邦氫科技網綜合網絡整理
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：車載高壓儲氫Ⅳ型瓶生產工藝解析