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非金属内胆复合材料气瓶制造特征有哪些

发布时间:

2021/09/15 00:00

公司历时六年研发,成功完成复合材料气瓶密封及结构设计体系化研究,完成了复合材料气瓶工艺技术制备,研制了复合材料气瓶智能制造生产线,以及复合材料压力容器试验检测装备,在复合材料装备制造领域成为全球有能力提供Ⅳ型气瓶自动化生产线的三家企业之一。

我国高压储氢瓶逐渐由全金属气瓶(Ⅰ型瓶)发展到非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型瓶)。Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶是纤维复合材料缠绕制造的气瓶。其主要由内胆和碳纤维缠绕层组成。Ⅲ型瓶的内胆为铝合金,Ⅳ型瓶的内胆为聚合物。纤维复合材料则以螺旋和环箍的方式缠绕在内胆的外围,以增加内胆的结构强度。

非金属内衬碳纤维增强复合材料气瓶由非金属内衬、金属阀座及复合材料纤维层组成。本文讨论了非金属内衬材料选型依据,及材料本身特性与其物理性能,在此基础上进行非金属内胆机理的研究,从本质上分析了非金属内胆起泡与屈曲现象,从材料级别指出了非金属内胆选型的关键参数。并从气瓶的整体结构出发,研究了非金属内胆典型成形工艺与关键的非金属内胆与阀座连接技术以及复合材料层关键成形技术研究,与为后续的研发提供了一定的支撑。

其中,公司自主研发的五工位全自动搭剪纱立式缠绕机、多工位转盘式水压检测机等核心设备达到国内水平。公司整合上游产业供应链资源,实现以自主知识产权为核心的全产业链闭环产业应用,掌握塑料内胆全缠绕复合材料Ⅳ型气瓶从原材料、生产工艺、制造装备、产品检测全流程核心技术及整体解决方案。同时定型两款Ⅳ型气瓶产品,塑料内胆全缠绕复合材料液化石油气气瓶、塑料内胆碳纤维全缠绕复合材料氢气瓶。2021年6月在旗下家LPG复合材料气瓶制造工厂。未来公司将向复合材料压力容器全产业链解决方案领军企业不断迈进。

我国非金属内胆全缠绕气瓶技术现处萌芽阶段,尚未规模化、商业化,还需要不断研究和探索,不断克服其技术难点,使其结构更加优化、性能更加稳定可靠。本文主要研究了非金属内衬碳纤维增强复合材料气瓶,其结构与力学性能十分复杂。且现有文献对非金属内衬碳纤维增强复合材料气瓶的研究尚不充分,大都是通过三维模拟的方法进行研究,解析的方法很少见而且也不完善,尤其是对其非金属内衬材料及非金属内胆与金属阀座连接技术研究稀少。

(2)内胆屈曲塑料内胆的另一个复杂的现象是内胆的屈曲,内胆屈曲是在几年前汽车的系列开发过程中出现的。在特定的操作条件下,塑料内胆可能会在内部塌陷,如图4所示。这种内部塌陷或内胆屈曲会降低储氢气瓶的疲劳强度,降低其使用寿命。在试验条件下可以检测到,当内胆发生屈曲时,气瓶释放出大量的氢气,并产生一个清晰的氢气释放高峰。氢气通过渗透在塑料内胆和纤维层之间进行聚集,聚集到一定压力后,当氢气快速泄压时,由于压力差的存在,会使内胆产生屈曲[6]。内胆屈曲的产生取决于内胆材料的性能、复合材料层和内胆层的连接技术、内胆厚度、减压速率、温度、氢气浸泡时间、储氢气瓶的初始压力和最终压力[7,8]。

高压储氢气瓶是压缩氢广泛使用的关键技术,随着应用端的应用需求不断提高,轻质高压是高压储氢气瓶发展的不懈追求。目前高压储氢容器已经逐渐由全金属气瓶(Ⅰ型瓶)发展到非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型瓶)。

非金属内胆全缠绕气瓶的关键技术是塑料内胆材料的选择和内胆结构的设计。内胆材料选择将直接影响内胆的封头连接形式、介质渗透性和成形工艺方法。

但在塑料内胆复合气瓶的使用过程中,由于内胆与阀座连接强度不足,两种材料的模量和热膨胀率差异较大,且刚度不连续,在循环载荷的作用下,两种材料的连接部位会出现裂缝;同时在反复充装以及使用过程中出现的漏气现象也是由于热应力的存在,在环境温度的影响下,热处理的产生会导致结合部位出现裂纹。虽然国内外的技术人员对金属瓶口与塑料内胆的结合进行了大量的研究试验,但是金属部分与塑料内胆之间如何进行密封依然是亟待解决的问题。

导读:PEEK、碳纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料具有与金属相似的耐温性、耐机械冲击性和耐化学性。由这些聚合物和复合材料制成的零件具有很多优异的性能,那么用3D打印的高性能聚合物材料和复合材料部件代替传统制造的金属部件可行吗?

非金属内胆全缠绕气瓶的瓶口的作用是提供与外部连接的接口,通常外部连接件多为金属,考虑到连接强度的影响,瓶口阀座一般采用金属材料设计,而如何将金属阀座与非金属内胆有效的结合是其设计的难点,需要通过合理的设计金属阀座的结构、形状以及采用合理的工艺将金属阀座与非金属内胆进行很好的结合。金属阀座通常以预埋等方式与非金属内胆熔合到一起,一体成形或者是分体成形,再结合一起。

呼吸气瓶、CNG气瓶、中大型高压气体运输气瓶等属于无缝气瓶,根据材质不同可分为4种类型:钢制无缝气瓶、铝合金气瓶、复合材料钢内胆气瓶以及复合材料铝内胆气瓶。

(1)渗透率非金属内胆全缠绕气瓶首先要解决的关键问题是气体的渗透。相比于金属内胆,非金属内胆可以节省成本,高压循环寿命长、防腐蚀,但是由于聚合物材料本身的原因,小气体分子可以在非金属内胆中进行渗透。渗透一方面造成了气体的损失,另一方面当聚集到一定程度后,在快速减压的条件下有可能造成内胆的屈曲,降低内胆的使用寿命。

储氢瓶是氢能利用的重要一环,也是山东省实施战略的基础设施。专注纤维缠绕技术20年的专家团队历时6年,成功研发出了全自动非金属内胆纤维缠绕复合材料压力容器量产技术,并打造了完全自主知识产权的复合材料Ⅳ型瓶智能生产线,推动并建立新型行业标准。这为将来氢能源的普及应用奠定了良好的基础。该技术不仅可批量生产车载储氢瓶,还可制造出更的液化石油气瓶、刹车储气瓶等非金属压力容器。

我们先来说这个储氢罐,根据制造还有材质工艺,储氢罐的气瓶可以分为4类。全金属的,全金属内胆加纤维环向缠绕的,这两种呢一般是加气这样运输和储存氢气采用,因为承受不了太大压力所以尺寸都比较大,还有金属内胆加纤维全环绕的,以及非金属内胆加纤维全环绕的,各方面的性能包括承受压力使用寿命,质量都是后者更好一点。

(1)非金属全缠绕储氢气瓶树脂体系研究树脂基体的主要作用是在纤维缠绕复合材料中保持结构的稳定。由于树脂可以均匀地分布在纤维之间,从而保证了纤维与纤维之间的应力均匀,与此同时,树脂的存在也能吸收一部分由于应变的变化而产生的应力。当复合材料的树脂含量太低时,复合材料之间出现空隙,纤维与纤维之间直接接触,产生摩擦损伤,从而降低复合材料的强度。当复合材料的树脂含量太高时,在缠绕过程中容易滑线,同时固化后气瓶表面的气泡比较多,最重要的一点是会降低产品的储氢密度。

为了实现第二点,需要创新性的生产技术以保证低成本、益的大规模生产。采用热固性树脂湿法缠绕工艺,然后采用固化炉固化的工艺是现阶段进的制造工艺。这项生产技术的进一步发展是必要的,同时也适应了新的技术要求。这意味着通过提高生产线的自动化大大降低了气瓶成形的时间及量,且提供了连续的高质量纤维浸渍,提高了纤维丝束的在内胆上的布纱精度。纤维丝束的浸渍质量对制造工艺的稳定性和爆破压力的一致性具有重大影响。

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