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碳纖維高壓儲氫氣瓶系列專題論述:東麗新型碳纖維在氣瓶輕量化中應用

 碳纖復材 2020-12-03

摘 要

近十幾年來,在高壓儲氣瓶領(lǐng)域,除了美國開展了系列化研究工作外,日本東麗作為全球PAN基碳纖維領(lǐng)先生產(chǎn)商也在高壓儲氣瓶用高性能碳纖維領(lǐng)域開展了研究工作。

日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維長期占據(jù)了全球III型、IV型高壓儲氣瓶用碳纖維的主導地位,但目前高壓儲氣瓶用最為廣泛碳纖維如T700S、M30S存在模量較低等問題。

基于此,日本東麗公司從纖維力學性能出發(fā),開發(fā)了適用于高壓儲氣瓶的新型高強高模碳纖維,并以此為原料與高壓氣瓶制造商合作加工了IV型高壓氣瓶,該型氣瓶較傳統(tǒng)碳纖維材質(zhì)氣瓶可減重20%,本文主要圍繞該研究展開。

附:本公眾號碳纖維高壓儲氣瓶原創(chuàng)文章:
《寧波材料所新型碳纖維高壓儲氣瓶通過測試
《復合材料氣瓶用增強纖維的發(fā)展與趨勢》
《碳纖維復合材料儲氫氣瓶發(fā)展及應用》
《詳解國外高壓儲氣瓶的市場供需及生產(chǎn)鏈條》
《碳纖維氣瓶專題1:結(jié)構(gòu)及成本分析》
《碳纖維氣瓶專題2:III型、IV型氣瓶成本對比》
《碳纖維氣瓶專題3:碳纖維強度轉(zhuǎn)換效率》
《碳纖維氣瓶專題4:高壓氣瓶成本測算模型》
《碳纖維氣瓶專題5:氣瓶低成本化技術(shù)》
《碳纖維氣瓶專題6:提升儲氫容量技術(shù)》

高壓儲氣瓶用碳纖維性能要求

目前已商業(yè)化高壓儲氣瓶分為四種類型,I型瓶完全由金屬鋼組成,而II型瓶(圖1)采用金屬鋼材質(zhì),但外層纏繞玻璃纖維復合材料。

III型、IV型高壓儲氣瓶外部纏繞碳纖維增強塑料(CFRP)材料,III型瓶內(nèi)膽為金屬,IV型瓶內(nèi)膽為塑料。


圖1 外部纏繞玻璃纖維復合材料的II型高壓氣瓶

III型、IV型高壓儲氣瓶與II型氣瓶主要區(qū)別在于,III型、IV型氣瓶外部纏繞的CFRP起到主承載作用,而CFRP中碳纖維又是承載核心,因此對于高壓氣瓶對碳纖維材料性能要求也較高。

從高壓儲氣瓶高剛性、高抗形變要求而言,碳纖維須具有高模量;高壓容器為了獲得高的填充壓力,并基于突發(fā)爆破保護,須采用高強度碳纖維(圖2)。


圖2 高壓儲氣瓶用碳纖維特性


高壓儲氣瓶用碳纖維具體特性如下:

※ 兼具高強度高模量當模量小于305GPa時,為了獲得足夠剛性,必須加大纏繞量,使其壁厚增加,容器重量增大;當模量大于420GPa時,纏繞量少,但耐沖擊性能差,降低了耐壓性能,且增加纖維生產(chǎn)成本。因而制造高壓儲氣瓶所需碳纖維性能范圍:拉伸強度4.5-5.5GPa、拉伸模量305-420GPa。

※ 細直徑:纖維直徑<6μm,尤以5μm以下最佳,因為碳纖維單絲直徑越細,越有利于提高其壓縮強度和層間剪切強度,對于最終高壓氣瓶綜合性能有積極意義。

※ 表面溝槽:采用濕法紡絲制備碳纖維可以獲得明顯軸向溝槽結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有利于碳纖維與樹脂結(jié)合,并最終提高高壓儲氣瓶中碳纖維強度轉(zhuǎn)換效率。

基于上述纖維性能要求不難發(fā)現(xiàn),目前市場上常用的高壓氣瓶用碳纖維如T700s、M30s等,無論是力學性能(模量低于300GPa),亦或是表面結(jié)構(gòu)(采用干噴濕紡無明顯溝槽),似乎并非是高壓氣瓶最佳材料,當然其優(yōu)勢在于價格較低。

注:氣瓶用碳纖維的性能要求參考賀?!短祭w維及石墨纖維》P516,并有所補充

日本東麗新型碳纖維材質(zhì)氣瓶

出于高壓氣瓶用碳纖維須兼具高強度高模量特性考慮,日本東麗公司在高壓儲氣瓶領(lǐng)域主要專注于研發(fā)適用于氣瓶用碳纖維材料。
2018年底日本東麗研發(fā)出TORAYCA?MX碳纖維拉伸強度5700MPa、拉伸模量377GPa,而該型纖維具有典型的高強度高模量特征,且采用濕法紡絲工藝制備。

TORAYCA?MX研發(fā)成功之前,日本東麗碳纖維在兼具高強度、高模量特性纖維已經(jīng)開展了深入探索性研究并取得實質(zhì)成效。

東麗公司T1000G產(chǎn)品強度為6.37GPa、模量為294GPa,2014年3月,東麗公司利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù),精細控制碳化過程,成功開發(fā)出拉伸強度6.6GPa、拉伸模量324GPa的T1100G碳纖維,2017年,T1100拉伸強度由6.6GPa提高到7.0GPa,模量不變。

東麗公司在開展新型碳纖維研發(fā)之際,以兼具高強度高模量的新型碳纖維為原料加工了高壓儲氫氣瓶,并且與傳統(tǒng)材質(zhì)氣瓶重量進行對比。
研究結(jié)果表明,在滿足高壓氣瓶工作壓力70MPa要求下,采用新型碳纖維制造的儲氣瓶重量與傳統(tǒng)碳纖維相比減重20%(圖3)。


圖3 東麗新型碳纖維高壓儲氫瓶與其他材質(zhì)對比


國內(nèi)高壓氣瓶用新型碳纖維

中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部成立于2008年,專注于國產(chǎn)高性能碳纖維關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),經(jīng)過多年發(fā)展,寧波材料所特種纖維事業(yè)部相繼實現(xiàn)了T700、T800、T1000級高強中模碳纖維,以及M40J、M50J、M55J、M60J級高強高模碳纖維的關(guān)鍵制備技術(shù)、噸級研發(fā)與工程化能力。

近年來特種纖維事業(yè)部在高壓儲氣瓶領(lǐng)域開展布局研究工作,與日本東麗公司研發(fā)目的相同,主要開展適用于III型、IV型高壓氣瓶用國產(chǎn)高性能碳纖維的研發(fā),截止目前特種纖維事業(yè)部在高壓儲氣瓶用新型碳纖維已研發(fā)出兩代產(chǎn)品。

第一代新型碳纖維:2018年研發(fā)的新型碳纖維強度5.0-5.2GPa,模量330-400GPa,并利用該型纖維加工了高壓儲氣瓶(圖4),詳寧波材料所新型高強高模碳纖維開發(fā)的高壓儲氣瓶通過測試。



圖4 寧波材料所自研新型碳纖維材質(zhì)高壓儲氣瓶

第二代新型碳纖維:新型碳纖維強度>5.5GPa,模量320-420GPa,2019年6月實現(xiàn)中試穩(wěn)定生產(chǎn),與第一代新型纖維相比,在保證模量無變化情況下,大幅提升了纖維強度。目前該材質(zhì)高壓儲氣瓶正在研發(fā)中。

在III型、IV型高壓儲氫氣瓶中,碳纖維性能決定了氣瓶安全性能和使用壽命,目前寧波材料所可實現(xiàn)強度5.0-6.0GPa、模量320-420GPa新型碳纖維穩(wěn)定量產(chǎn),并可提供基于性能、直徑等定制化產(chǎn)品方案,歡迎有意于采用國產(chǎn)高性能碳纖維原料開展高壓氣瓶研究與生產(chǎn)客戶垂詢合作。


下期精彩文章內(nèi)容提要

本公眾號12月8日發(fā)布了美國全球市場研究和咨詢機構(gòu)盧新泰爾(Lucintel)公司關(guān)于全球復合材料最新市場分析報告,簡要介紹了未來幾年全球復合材料發(fā)展趨勢。

Lucintel公司發(fā)布的專業(yè)性調(diào)研報告《全球復合材料產(chǎn)業(yè)的前景分析》共由6部分組成,本公眾號發(fā)布內(nèi)容僅涉及第一部分,為了滿足廣大讀者需求,在下期文章中將分享完整版報告。

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