一文了解复合材料储氢瓶（下篇）

复合材料全缠绕储氢气瓶成型属于复合材料成型工艺领域，产品采用缠绕工艺成型，之后进入固化炉固化成型为产品。储氢气瓶的缠绕工艺根据使用原材料形 式 的区别，分为湿法缠绕工艺和干法缠绕工艺两 种。湿法缠绕工艺使用的原材料形式为碳纤维 丝束，丝束首先在浸胶装置中充分浸渍树脂， 之后在张力控制下经丝嘴直接缠绕至芯模上。湿法缠绕工艺对原材料、设备要求不高，生产成 本较低，综合投资较少，但存在含胶量较难控制 问题。干法缠绕工艺使用的原材料形式为预浸纱或预浸窄带，预浸纱或预浸窄带在缠绕机上经加 热树脂软化至黏流态，之后缠绕至芯模上。干法缠绕工艺可精确控制树脂含量 ( ±2%以内) ，产品质量稳定可控，生产效率较高 ( 缠绕速度可 达 100 ～ 200 m /min) ，与湿法缠绕相比生产环境友好。湿法缠绕工艺和干法缠绕工艺区别如图 4 所示。

法缠绕工艺以经过预浸胶处理的预浸带为原料，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。其优点主要有：(1)专业生产的预浸纱线/带，可以保证严格控制纤维和树脂(精确至2%以内)含量比例，产品质量好且稳定；(2)生产效率高，缠绕速度可达100~200m/min；(3)缠绕设备及生产环境卫生整洁，便于清理，缠绕机的使用寿命也更长。

干法缠绕工艺流程图

湿法缠绕工艺是将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后，再在张力控制下直接缠绕到芯模上，最后经过固化的成型方法。其优点主要如下：(1)生产成本较低，约比干法缠绕低40%。涉及的工艺设备比较简单，设备投资小，且对原材料要求相对较低。(2)产品气密性好，在缠绕过程中，通过张力控制可以使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙。(3)碳纤维表面浸渍的树脂胶液可有效减少纤维磨损。(4)纤维排列平行度好。

(1)环向缠绕环向缠绕是沿容器圆周方向进行的缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线作匀速运动， 导丝头在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动。芯模每转一周，导丝头移动距离为一个纱片宽。如此循环下去，直至纱片均匀布满芯模圆筒段表面为止。环向缠绕的特点是缠绕只能在筒身段进行，不能缠到封头上去。邻近纱片间相接而不重叠，纤维的缠绕角通常在85°~90°之间。

(2) 螺旋缠绕螺旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自己轴线匀速转动，导丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动，这样就在芯模的筒身和封头上实现了螺旋缠绕,其缠绕角约为12°~70°。在螺旋缠绕中，纤维缠绕不仅在筒身段进行，而且在封头上也进行。其缠绕过程为：纤维从容器一端的极孔圆周上某一点出发，沿着封头曲面上与极孔圆相切的曲线绕过封头，并按螺旋线轨迹绕过圆筒段，进入另一端封头，然后再返回到圆筒段，最后绕回到开始缠 绕的封头，如此循环下去，直至芯模表面均匀布满纤维为止。这样，当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。为保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求，其缠绕方式一般选择环向缠绕和螺旋缠绕相结合的方式。

综上所述，IV型储氢瓶的生产制造流程如下图所示。可以看到高压氢瓶的生产过程主要包括：(1)衬里加工（将热塑性烯烃聚合物制成内胆）(2)纤维缠绕成型(3)检查检验

复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。储氢气瓶进行充气的周期可能较长，而氢气在高压下又具有很强的渗透性，所以氢气储罐内衬材料要有良好的阻隔功能，以保证大部分的气体能够储存于容器中。

纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料，高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术而制备的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻，而且良好的工艺性和可设计性在储氢气瓶制备上具有广阔的应用空间。高压储氢气瓶制备涉及的关键技术归纳总结如下：

在传统的铝内胆全缠绕气瓶强度设计中，一般不考虑内胆承载，理论上气瓶的内压完全由增强纤维承担。但事实上，气瓶内胆在工作压力下始终处于拉应力状态，这是制约气瓶疲劳寿命的关键。为同时满足储氢气瓶重量轻、耐疲劳性好的要求，选择合适的内胆形状与尺寸意义重大。

丰田2代塑料内胆配置的创新和高效分层模式导致大约减少碳纤维用量的40%

碳纤维/树脂基体间界面是影响复合材料性能的关键，而界面脱粘是复合材料失效主要方式之一。由于碳纤维拉伸强度、拉伸模量要显著高于树脂基体，因此碳纤维作为复合材料主承力结构材料，而界面作用体现在外部载荷作用于树脂基体后可以有效转移到碳纤维。在高压储氢瓶抗压、防爆等特性对复合材料界面技术有较高要求。

碳纤维缠绕成型工艺可分为湿法缠绕和干法缠绕，其中湿法缠绕由于其成本较低、工艺性好，因此应用较为广泛，湿法缠绕设备主要包括纤维架、张力控制设备、浸胶槽、吐丝嘴以及旋转芯模结构。国际上较先进的六维缠绕技术能够很好地控制纤维走向，实现环向缠绕、旋向缠绕以及平面缠绕相结合。实际生产中多采用旋向缠绕与环向缠绕相结合的方式，环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力，旋向缠绕可提供纵向应力，提升气瓶整体性能。

纤维缠绕层的设计需要考虑纤维的各向异性，根据其结构要求，通常采用层板理论和网格理论来计算容器封头、内衬、纤维缠绕层的应力分布情况，进而确定缠绕工艺中张力选择与线型分布。通过环向缠绕与旋向缠绕交替进行实现多层次结构，选择适当纤维堆叠面积和纵向缠绕角度与旋向缠绕线型，不仅满足强度要求，同时使封头处能够合理铺覆。

缠绕成型工艺中需要合理使用张力控制系统，以保障所设计的线型能够正确铺覆并控制纤维含量。通过合理控制缠绕张力，可以提高制品的密实度，从而发挥纤维高强高模特性，提高制品抗内压能力，改善制品的耐疲劳特性

当选用张力较大时，可以提高纤维含量，但较大的张力会导致外层纤维挤压内层纤维，降低胶含量，影响性能; 选用张力较小时，会导致气瓶密实度降低，并产生气泡和缺陷。选择合适的张力是缠绕成型技术的要点之一，缠绕过程中还需要遵循张力递减原则，随着缠绕层数的增加不断减小张力，避免外层纤维张力过大将内层纤维压曲折，防止出现内紧外松现象，保证各层纤维能够均匀受力。

碳纤维储氢气瓶树脂基体不仅需要满足气瓶对力学强度和韧性的要求，同时由于在长期充气放气的使用环境中，基体容易发生疲劳损伤，因此需要高强韧、耐疲劳树脂体系以保障气瓶的使用寿命。湿法缠绕成型所用的树脂基体，除了要满足相应性能外，还要求其在工作温度下具有较低的初始粘度以及在该温度下具有较长的适用期。环氧树脂具有优异的力学性能、耐热性能，固化工艺简单多样，具有很大的改性空间，并且其来源广泛、价格合理，适用于湿法缠绕工艺体系。国内对环氧树脂的研究已相当成熟，能够生产适用于不同纤维界面并满足相应适用条件的树脂体系，通过NOL环测试判断树脂基体与纤维的界面粘接性、应力传递能力等。

复合材料储氢气瓶的未来发展将紧密跟随氢能源技术的发展趋势，通过材料、设计、制造工艺的创新和优化，以及标准和市场的推动，实现更广泛的应用和更高的性能。随着全球对清洁能源的追求，复合材料储氢气瓶将在推动氢能源革命中发挥重要作用。

（完）

参考文献

[1]马全胜,王文义,卢钊钧.复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展[J].高科技纤维与应用,2023,48(03):13-19.