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。 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。 日本東麗新型碳纖維材質(zhì)氣瓶 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。 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 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),詳見《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。 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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