試述碳纖維纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶的研制

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氫能為新世紀(jì)中有較強(qiáng)發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉粗?，有高能、環(huán)保、可再生等等諸多優(yōu)勢，但是當(dāng)下國內(nèi)氫氣儲藏、運(yùn)輸技術(shù)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)?；瘧?yīng)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(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，從最初的鋼瓶到成功研制了全負(fù)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(fù)合材料制得的氣瓶優(yōu)勢多多，本文主要對相關(guān)研制技術(shù)要點(diǎn)加以分析探究。

1 碳纖維復(fù)合材料氣瓶研制技術(shù)

（1）內(nèi)膽設(shè)計(jì)。在既往設(shè)計(jì)鋁內(nèi)膽整體纏繞氣瓶強(qiáng)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(qiáng)纖維承載著氣瓶所有的內(nèi)壓。但現(xiàn)實(shí)中，在作業(yè)壓力下氣瓶內(nèi)膽從始至終處于拉應(yīng)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(shí)需求，在設(shè)計(jì)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(shí)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(kuò)展距離，延長氣瓶的使用年限?？茖W(xué)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(shè)計(jì)內(nèi)膽封頭時(shí)，不僅要求其有工藝可設(shè)計(jì)性的特征，還要符合瓶體結(jié)構(gòu)要求。等應(yīng)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(shù)，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(shù)制造階段，等應(yīng)力、橢球型封頭通常是內(nèi)膽常用封頭形式，當(dāng)確定內(nèi)膽是橢球形時(shí)，纏繞成型工藝中可結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求采用“3-1”或“5-2”線型纖維對封頭進(jìn)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(shí)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(yàn)階段，因碳纖維層在比強(qiáng)度、比模量兩大指標(biāo)上明顯優(yōu)于鋁內(nèi)膽，于等同的應(yīng)變下，即便鋁內(nèi)膽己屈服，但碳纖維依然處于低應(yīng)力狀態(tài)，埋沒了其優(yōu)良的高強(qiáng)度性能。每次對氣瓶進(jìn)行卸壓后，結(jié)構(gòu)內(nèi)依然滯留著部分殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力持續(xù)累積會對氣瓶作業(yè)應(yīng)力、使用壽命形成負(fù)面影響。鑒于以上情況，可以將一個(gè)預(yù)應(yīng)力施加在氣瓶應(yīng)用前，形成自緊。通過為儲氣瓶提供一個(gè)高于鋁內(nèi)膽屈服應(yīng)力且低于纖維纏繞層破壞應(yīng)力的內(nèi)壓，誘導(dǎo)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(yīng)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(dá)設(shè)計(jì)的屈服強(qiáng)度，形成較強(qiáng)的自緊效應(yīng)。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(shí)現(xiàn)纖維強(qiáng)度利用效率的最大化。伴隨內(nèi)膽壓應(yīng)力提升過程，氣瓶耐疲勞性也會做出相應(yīng)改善。但若自緊壓力過大時(shí)，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(xì)化為濕法、干法纏繞，相比較之下前一種方法應(yīng)用階段資金投入更好、工藝性優(yōu)良，故而有更廣泛應(yīng)用。法纏繞工藝常用的設(shè)備類型有纖維架、浸膠槽、吐絲嘴以及張力控制設(shè)備等。當(dāng)下，國際范疇中采用的最高端六維纏繞技術(shù)在調(diào)控纖維走向方面表現(xiàn)出良好效能，能夠促進(jìn)環(huán)向、旋向及平面纏繞三者有機(jī)整合過程。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)領(lǐng)域，旋向與環(huán)向纏繞相整合的形式應(yīng)用較多見，其中前者在提供縱向應(yīng)力、增強(qiáng)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(shí)而形成的環(huán)向應(yīng)力，當(dāng)下受多方面的制約我國尚不能規(guī)?；圃斐龃笮屠p繞設(shè)備，但不可否認(rèn)的事實(shí)是纏繞成型工藝在研究方面依然取得一定理想的技術(shù)成果。

2 材料與結(jié)構(gòu)性能的完善研究

復(fù)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(dāng)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(jìn)、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(xué)性能，既往有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，采用差異化的環(huán)氧樹脂體系時(shí)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(qiáng)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(biāo)本值顯著提升；當(dāng)纏繞角＞60°時(shí)，碳纖維結(jié)構(gòu)性能顯著優(yōu)于玻璃纖維。纖維混雜時(shí)，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(dāng)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(yīng)盡量取低值；若為提高爆破壓強(qiáng)，則最優(yōu)混雜比取值應(yīng)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(shí)代背景下其勢必有廣闊的發(fā)展空間，循序漸進(jìn)提高氫氣儲運(yùn)技術(shù)水平，是氫能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的重要支撐。基于碳纖維纏繞成型工藝設(shè)計(jì)制造出的氫氣瓶能較好地滿足氫氣存儲、運(yùn)輸要求，確保氣瓶使用過程的安全性，為國民經(jīng)濟(jì)健康、持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。