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車用碳纖維復合材料儲氫罐先進制造技術
發布時間:2022-06-16
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由于氫的密度很小,容易滲透,金屬內襯發生氫脆。目前車用儲氫罐使用樹脂內襯、外面包覆樹脂基碳纖維復合材料的IV型高壓儲氣罐。對內襯所用的樹脂,也要用能阻擋氫滲透的高密度樹脂。

一輛氫動力汽車行駛500公里,需要5公斤氫。由于氫的能量密度小,這5公斤氫需要在700 bar壓力下存儲在容量約200升或3-4倍汽油箱的容積內。

IV型罐、壓力700 bar是當前車用儲氫罐的標配。先進儲氫罐主要表現在,外殼包覆的樹脂基碳纖維復合材料和內襯選用的材料,以及制造工藝。

 

外殼包覆材料:

目前已經使用儲氫罐外殼包覆的是,熱固性環氧樹脂基碳纖維復合材料。其中碳纖維多用東麗T700等級的纖維。熱固性碳纖維復合材料,在使用過程中需要在熱壓罐或高溫爐中固化。另外,環氧樹脂基材回收困難,它不符合環保要求。

針對上述問題,早就有了用傳統熱塑性碳纖維復合材料,制造儲氫罐的事例。另外,外包覆材料還用到熱塑樹脂基材,聚苯硫醚(PPS)和聚甲醛(POM)等。

 

內襯樹脂:

內襯有兩個關鍵要求:抗氫滲透性(確保氣體不會從管道中泄漏);良好的機械性能(因此氣體可以在高壓下安全儲存)。外殼是環氧樹脂基碳纖維復合材料,一般內襯用高密度聚乙烯(HDPE - high-density polyethylene)。外殼是熱塑樹脂基碳纖維復合材料,內襯用苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或 聚苯硫醚(PPS)。

傳統熱塑性復合材料制造儲氫罐,由于其材料本身強度低于熱固性復合材料,至今還一直處于研發狀態。

 

新型熱塑性碳纖維復合材料:

2018年高溫、高性能熱塑樹脂聚芳醚酮(PAEK)家族進入飛機制造領域。這其中特別是聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)與碳纖維組合的熱塑性復合材料。這種新型熱塑性復合材料強度性能比環氧樹脂基復合材料高。它已經部分取代環氧樹脂基復合材料,制造飛機主要受力結構件??湛图磳⑼瓿傻男翧320,直徑4米、長8米的機身試驗件,全部用聚醚酮酮(PEKK)碳纖維復合材料制造。

去年3月17號一篇外媒報道用熱塑復材制造高壓儲氣罐。文章從頭至尾沒有說明用什么材料,僅在一張圖片中顯示用了PEEK。

用新型熱塑復材制造儲氫罐外殼,內襯材料選用相同的樹脂。制造中外殼固結的同時,能夠與內襯樹脂粘合成整體。

 

纖維纏繞(FW)與自動鋪絲(AFP):

纖維纏繞(FW-Filament winding)是復合材料制造中使用的一種古老工藝。它和自動鋪絲(AFP- Automated Fiber Placement )初看起來,兩者都是將浸有樹脂的纖維帶纏繞在旋轉的芯模上。但是它們確有本質的差別,不能同日而語。

纖維纏繞(FW)是一種用于制造高壓容器(液化石油氣、壓縮天然氣)、儲氫罐、氧氣罐、水下管道的復合材料技術。它是以粗紗或單絲形式連續增強的過程纏繞在旋轉芯軸上。纏繞角度和加強件的放置由專門設計的機器控制,例如球形、錐形和圓形可以制作測地線( geodesic )形狀。設備相對簡單,沒有加壓輥,無壓實功能,僅靠纖維的張力壓實。浸漬環氧樹脂基材的容器在施工現場,對施工現場環境不利。沒有加熱材料帶裝置,不能用于熱塑性復合材料帶。

自動鋪絲(AFP)是一個電腦控制的先進的自動化設備。它的鋪絲模塊可以載裝16或32個無捻紗帶卷(slit tape)。鋪放頭可沿多個方向移動。無捻紗帶纏繞(鋪放)的路徑是事先設計好的。路徑可以嚴格控制。纏繞(鋪放)時用激光加熱,軟化紗帶。16、32根紗帶可以同時纏繞(鋪放)。每根紗帶配有激光切割刀,工作中可按程序,切斷幾根。切斷的紗帶,在需要處也可繼續送進,加寬紗帶。鋪絲模塊中還有加壓輥。它可以壓實纏繞(鋪放)的紗帶。自動鋪絲的纏繞用于制造旋轉體的零件,如飛機機身。鋪放用于制造平面類的零件,如機翼蒙皮。

自動鋪絲機帶有激光加熱材料帶的裝置,它是目前用樹脂基碳纖維復材制造高壓儲氫罐最佳設備。美國NASA與波音公司聯合研制出了直徑5.5米,液氫儲氫罐。

 

引用787復材技術,制造先進儲氫罐

波音787機身蒙皮,是用預浸環氧基材的,碳纖維無捻紗窄帶(slit tape),經自動鋪絲(AFP)纏繞成整體筒。每一鋪層中,紗帶按設計好的角度鋪放。紗帶與紗帶緊密貼合、無間隙、無重疊、全覆蓋。紗帶的鋪放要求,確保每層中碳纖維能承受最大載荷,同時也確保了層間的連接強度。波音787的復合材料機身制造技術,把材料的性能發揮到極致。至今,波音787進入市場10多年,已有上千架飛機在天空翱翔!

纖維纏繞(FW)在鋪層中,紗帶有間隙、重疊。特別在球形端頭紗帶間隙、重疊十分突出。

針對此缺點,制造儲氣罐龍頭公司QUANTUM與波音等單位,聯合研發“自動鋪絲(AFP)與纖維纏繞(FW)混合工藝”制造儲氫罐。其中,球形端頭(dome)用自動鋪絲工藝;等直筒段用纖維纏繞。

“混合工藝”顯然工藝過程復雜,不利于大批量生產。特別是等直筒段,鋪層中仍然存在材料帶交叉、重疊,制約了材料承載能力(見圖)。另外,制造過程中又增加了一個,自動鋪絲與纖維纏繞兩種設備,更換的工序。 

 

我們如何制造先進車用儲氫罐

制造車用儲氫罐用可以回收的熱塑性碳纖維復合材料,是世界各國環保的要求。眼下盡管車用儲氫罐,還是使用熱固性復材。但不久的將來,都得使用熱塑性復材的車用儲氫罐。我國制罐企業,在此熱塑與熱固交換時機,與其開始研制熱固性復材700bar車用儲氫罐,還不如直接研制熱塑性700bar車用儲氫罐。

熱塑樹脂選用聚醚醚酮(PEEK)、纖維選用國產T700級碳纖維。復材帶的標準,參照東麗“Toray Cetex® TC1200”。增加一項,材料抵抗氫滲透能力。 試制過程中,形成國產聚醚醚酮碳纖維復合材料帶和樹脂標準。

設計的目標是通過優化層合板結構,充分利用材料的性能,提高材料的抗破壞(泄漏、爆破)安全性。

確定試驗項目,包括壓力試驗、抗沖擊性、化學暴露和其他溫度和壓力循環試驗和規定。自動鋪絲機選用國內研發的設備(南航肖軍、中科院自動化所等)。殼體纏繞路徑,借鑒波音787機身筒體制造工藝。重點球形端頭鋪放和等直段過渡區的纏繞。

在儲氫罐研制過程中,開發自動化生產線。自動化生產線不僅滿足生產的批量。還要自動檢測,確保產品質量。

 

結束語:

車用儲氫罐將是繼民用飛機、風電行業,第三大碳纖維復合材料用戶。高溫、高性能熱塑性碳纖維復合材料,制造車用儲氫罐,在國外也只有少數單位在研發。此時我們進入這個項目,基本上與他們處在同一起跑線上。只要參與研制單位齊心協力,一定能拿出一款進入世界汽車市場的熱塑性復材儲氫罐。(化工儀器網) 

 

 
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