复合材料气瓶的结构、性能和应用研究

复合材料高压气态储氢瓶深度解析首先，我们需要了解复合材料的定义。

复合材料是由两种或两种以上的组分混合而成，具有较好的综合性能。

相比于传统材料，复合材料的特点是具有更高的强度、更好的韧性和更低的密度。

这些特点使得复合材料成为制造高压气态储氢瓶的理想材料。

复合材料高压气态储氢瓶的制造过程主要包括材料选择、预制、成型和后续处理。

首先，需要选择适合储氢的复合材料。

常见的选择包括纤维增强复合材料、碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

这些材料具有良好的强度和刚度，可以承受高压氢气的储存。

在预制过程中，将选择的复合材料切割成合适的形状，然后通过热处理或表面涂覆等方法进行改性处理。

这些处理能够增加复合材料的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性能，提高高压氢气储存的安全性和可靠性。

成型过程是将预制的复合材料进行成型，制成符合规定尺寸的储氢瓶。

常见的成型方法包括缠绕成型、层压成型和注塑成型等。

这些成型方法都可以在保持复合材料优良性能的同时，实现高效的生产。

在后续处理中，储氢瓶将进行表面处理和质量检验等工序。

表面处理包括去除毛刺、涂漆或涂层等，以增加储氢瓶的防腐蚀性和美观性。

质量检验主要包括外观检验、尺寸检验和性能测试等。

只有经过严格的质量检验，储氢瓶才能保证在使用过程中的安全性和可靠性。

复合材料高压气态储氢瓶相比传统金属储氢瓶具有明显的优点。

首先，复合材料高压气态储氢瓶的密度较低，可以减少整个装置的重量，提高能量密度。

其次，复合材料具有较好的韧性和疲劳寿命，可以更好地承受高压氢气的作用。

此外，复合材料对氢气的渗透性较低，能够有效地减少氢气的泄漏和污染。

然而，复合材料高压气态储氢瓶也存在一些挑战。

首先，复合材料的制造成本较高，增加了储氢装置的成本。

其次，复合材料的制造过程相对复杂，需要高度专业化的生产设备和技术。

此外，复合材料高压气态储氢瓶的使用寿命有限，需要定期进行检测和维护。

综上所述，复合材料高压气态储氢瓶具有广阔的应用前景。

碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用氢能源及储氢氢能作为一种零碳能源，具有来源丰富、洁净环保、燃烧值高、无污染、可储运等一系列优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。

氢能利用形式广泛，氢燃料电池汽车、燃料电池叉车、燃料电池电站、通讯基站应急备用电源等氢能利用典型产品已逐步推广，这对解决世界面临的能源和环境问题具有重要意义。

氢能利用完整链条包括生产、储存、运输、应用等几方面，而决定氢能是否广泛应用的关键是安全可靠的储氢技术。

车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢。

其中，高压储氢因具有设备结构简单、压缩氧气制备能耗低、充装和排放速度快等优点而备受重视，是目前占绝对主导地位的氢能储输方式。

综合考虑压缩能耗、续驶里程、基础设施建设、安全等因素，高压储氧气瓶的公称工作压力一般为35-70MPa。

高压储氧气瓶主要分为四个类型：全金属气瓶( Ⅰ型) 、金属内胆纤维环向缠绕气瓶( Ⅱ型) 、金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅲ型) 、非金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅳ型)。

其中，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，难以满足氢燃料电池汽车的储氬密度要求。

Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有重容比小、单位质量储氧密度高等优点，目前已广泛应用于氧燃料电池汽车。

高压储气瓶材料的发展及应用复合材料高压储气瓶的发展始于 20 世纪 50 年代，储气瓶具有质量轻、高强度、高模量和可设计性强等特点，被广泛应用于航空航天、建筑、汽车、火箭等重要领域。

早期的复合高压气瓶的形成主要是玻璃纤维、芳纶纤维等浸渍树脂逐层缠绕铝或者钢内胆上， 60 年代开始开始出现了新型材料即硼纤维和碳纤维增强复合材料。

美国在1972 年开始使用纯金属的铝合金气瓶，1975年研制出复合材料缠绕铝内胆的高压气瓶，这一研制成果使气瓶质量仅有钢瓶的百分之三十五。

由于复合材料的具有高模量、高强度、质量轻和抗腐蚀性强等优点，使用玻璃纤维增强材料制造的高压气瓶只有钢制气瓶的重量的三分之二，而使用碳纤维复合材料制造的高压气瓶的重量只有钢制内胆气瓶的重量的三分之一，因此对碳纤维复合材料高压气瓶的研究人员越来越多。

复合材料气瓶冲击力学性能分析近年来，随着工业和科技的不断发展，复合材料气瓶作为储存和运输压缩气体的重要设备，在航空航天、汽车制造、能源等领域得到了广泛应用。

然而，在使用过程中，复合材料气瓶可能会受到外界冲击而发生破裂或爆炸，给人身安全和财产造成严重威胁。

因此，对复合材料气瓶的冲击力学性能进行分析和研究具有重要意义。

首先，复合材料气瓶的冲击力学性能与其材料特性密切相关。

复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，具有良好的强度和刚度。

与传统金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度，能够承受较大的冲击负荷。

此外，复合材料还具有优良的耐腐蚀性和疲劳寿命，能够在恶劣环境下长时间使用。

其次，复合材料气瓶的冲击力学性能还与其结构设计密切相关。

合理的结构设计可以提高气瓶的冲击承载能力和抗冲击性能。

例如，采用分层叠加或纤维增强等设计手段，可以增加复合材料气瓶的抗冲击性能和耐久性。

同时，通过优化气瓶的壁厚和强度分布，可以减轻气瓶的自重，提高其携带和使用的便利性。

此外，复合材料气瓶的冲击力学性能与冲击载荷的类型和强度密切相关。

冲击载荷可以分为静态冲击和动态冲击两种类型。

静态冲击是指气瓶在静止状态下受到的冲击载荷，动态冲击是指气瓶在运动状态下受到的冲击载荷。

不同类型和强度的冲击载荷对复合材料气瓶的冲击破坏机理和性能表现会产生不同的影响。

综上所述，复合材料气瓶的冲击力学性能分析是确保其安全可靠运行的重要环节。

通过研究复合材料气瓶的材料特性、结构设计和冲击载荷等因素，可以优化气瓶的设计和制造工艺，提高其抗冲击性能和耐久性。

这将为复合材料气瓶在各个领域的应用提供可靠的保障，推动相关行业的发展和进步。

科技成果——复合材料天然气气瓶（CNG气瓶）主要研究内容天然气（CNG）是优质、高效的清洁能源。

用天然气替代传统的汽油、柴油作为汽车燃料，可使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，噪音减少40%，是汽车行业实现环保、节能的一种有效方式之一。

复合材料气瓶（CNG气瓶和LNG气瓶）具有高比强度、高比模量的特点，是贮存压缩天然气的关键容器，已被列入国家新材料领域重点发展的方向。

哈尔滨工业大学在国家“863”计划、国家自然基金和省市等相关科技计划的支持下，经过十余年的科研攻关，研制出了一系列具有独立自主知识产权的高性能轻量化复合材料高压气瓶，相对同容积、同压力的金属压力容器减重70%，达到国际先进水平，获授权发明专利13项，先后荣获国家技术发明二等奖1项、黑龙江省技术发明一等奖1项、国防技术发明二等奖1项。

制定“复合材料压力容器”国家军用标准2项。

现已形成容积6L-1500L、工作压力5MPa-36MPa、重量6kg-66kg的系列化高性能复合材料气瓶产品系列。

大庆作为国内第一大油田，是我国重要的石油化工基地，具有雄厚的基础。

本项目可结合哈尔滨工业大学在复合材料气瓶设计与制备方面的科研实力以及大庆在油气、天然气资源的开发、利用方面的优势，合作开发复合材料天然气气瓶，开拓新的经济增长点。

市场前景复合材料天然气气瓶的研发具有广阔的市场前景，尤其对气体能源的存储、新能源汽车的设计制造有着重要的影响。

据统计，国民生产总值每增加1%，压力容器的需求量就增加1.5%，而国际市场每年大约以5%的速度增长。

据悉，全世界有300万只复合材料气瓶在运行。

到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。

寻求新的汽车能源，降低汽车排放污染是燃气汽车发展的动力。

高性能超轻量化复合材料压力容器的发展已被列入国家新材料领域的重点项目，符合国家及地区经济发展的需求。

同时，复合材料高压气瓶还可以应用在航空航天、石油化工、民用储气贮液等领域。

㊀第１０期㊀㊀收稿日期:２０２１－０２－１８作者简介:李蔚(１９６５ )ꎬ高级工程师ꎬ硕士ꎬ１９９３年毕业于华南理工大学金属材料专业ꎬ目前从事低温容器的检验与研究ꎻ通信作者:张耕ꎮ复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ夏莉ꎬ杨刚ꎬ徐瑶(广东省特种设备检测研究院ꎬ广东佛山㊀５２８０００)摘要:介绍了ＬＮＧ气瓶的使用情况以及复合材料ＬＮＧ气瓶中的应用发展概况ꎬ简述了现阶段面临的实际问题和基本情况ꎮ从气瓶产品本身出发ꎬ结合气瓶行业发展情况ꎬ从选材㊁设计㊁制造㊁检验环节探讨了复合材料ＬＮＧ气瓶的合理性以及可行性问题ꎬ提出了未来发展的展望和研究的思路ꎮ关键词:复合材料ꎻＬＮＧ气瓶ꎻ液化天然气中图分类号:ＴＢ３３２ꎻＴＥ８㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０２１Ｘ(２０２１)１０－００６３－０２㊀㊀通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一ꎬ便于贮藏和运输ꎮ现实中某些气体如氢(－２５３ħ)㊁氮(－１９６ħ)㊁天然气(－１６２ħ)等的临界液化温度很低ꎬ在加压的同时必须进行深度冷却ꎬ实现液化ꎮ而低温绝热气瓶作为一种十分常见的储运低温冷冻液化气体的特种设备ꎬ目前被广泛应用于化工㊁机械和国民经济的各个领域ꎮ目前ꎬ使用卧式低温绝热气瓶承装天然气燃料的液化天然气(ＬＮＧ)公交车因为其燃料环保㊁经济高效㊁行驶平稳的特点ꎬ并有助于改善城市空气质量而被广泛的推广应用ꎮ截止２０１５年年底我国ＬＮＧ汽车保有量约为２３万辆ꎻ根据国家天然气发展十三五规划ꎬ到２０２０年ꎬ我国ＬＮＧ汽车的保有量将达到４０~５０万辆ꎮ目前ꎬＬＮＧ气瓶生产企业达８０余家ꎬ２０１２年我国车用气瓶产量为４.７６３１万个ꎬ２０１４－２０１６年受天然气价格影响ꎬＬＮＧ汽车销量不及预期ꎬＬＮＧ车用气瓶销量数据不佳ꎬ２０１７年我国ＬＮＧ汽车产销量又出现跳跃式增长ꎬ车用气瓶年产量达到１０.５１２３万个[１]ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量见图１ꎮ图１㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量㊀㊀随着我国天然气资源的不断发现㊁天然气进口量的增加以及各地ＬＮＧ加气站的不断建设ꎬＬＮＧ汽车有了更广阔的发展前景ꎮ随着各地大力推广ＬＮＧ公交车㊁客车等城市公交体系以及ＬＮＧ重型卡车ꎬ此ＬＮＧ车用气瓶的中国市场已经蓄势待发ꎮ２０１５年我国车用气瓶市场需求达到１５.８万个ꎬ２０１７年达到３４.６万个ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量见图２ꎮ㊀㊀未来ꎬ东南沿海地区将以ＬＮＧ汽车为主ꎬ包括浙江㊁福建㊁广东㊁上海㊁海南和广西等地ꎮ广东各城市都有ＬＮＧ加气站的建设规划ꎬ其中广州规划２０２０年建ＬＮＧ加气站１２６座ꎬ东莞规划２０２０年建８１座ꎮ深圳也出台政策对ＬＮＧ重卡给予补贴ꎬ以推动ＬＮＧ能源的使用ꎮ未来的车用ＬＮＧ瓶的数量将出现爆发式增长ꎮ现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势ꎮ图２㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量１㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的现状通常情况ꎬＬＮＧ气瓶通常选用金属材料作为气瓶内胆材质ꎬ在ＩＳＯ２１０２８－１<Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｖｅｓｓｅｌｓ－Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｔｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－Ｐａｒｔ１:Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｂｅｌｏｗ－８０ħ>中ꎬ由于液化天然气的临界液化温度在－１６２ħꎬ所以标准推荐使用的内胆材料为不锈钢㊁铝合金㊁铜合金三种ꎮ相比较而言ꎬ铝合金㊁铜合金的热导率更大ꎬ焊接收缩率更高ꎬ所以在实际产品应用中使用较少ꎮ面对市场上越来越强烈的高端化㊁轻量化的产品需求ꎬ耐低温㊁低热导率㊁高强度的复合材料ＬＮＧ气瓶成为了未来潜在的发展方向之一ꎮ复合材料具有低质量㊁高强度㊁高耐蚀性以及方便设计等多种优点ꎬ在航空航天㊁机械工程等各个领域有着广泛应用ꎮ而复合材料气瓶由于具有高强度㊁高质量密度㊁失效模式安全㊁较好的抗腐蚀及疲劳等性能等一系列特点ꎬ已经被广泛地应用于航天技术中ꎮ并在高压气瓶领域ꎬ有着较为成熟的应用ꎬ像呼吸气瓶㊁储氢气瓶等用途中都基本采取的复合材料气瓶ꎮ对于全复合材料低温气瓶ꎬ复合材料内胆结构不仅仅要起到承载介质的作用ꎬ还需要对低温液体具有良好的密封的作用ꎬ同时兼具较好的绝热保温性能和真空维持性能ꎮ因此ꎬ研究复合材料的低温性能ꎬ包括低温力学性能㊁低温载荷㊁化学相容性以及低温下的导热系数和出气率等具有重要意义ꎮ目前ꎬ３６ 李蔚ꎬ等:复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望山㊀东㊀化㊀工许多学者已经论证了聚合物基复合材料作为气瓶材料应用的必要性和可行性[２]ꎮ同时ꎬ对无衬低温复合气瓶的低温包容性和化学相容性的研究也取得了重要成果ꎬ为低温复合气瓶的研究奠定了坚实的基础ꎮ进一步研究开发低温复合气瓶是节能环保㊁降低成本㊁提高气瓶性能的内在要求ꎬ也是必然趋势ꎮ因此ꎬ研究无衬里低温复合气瓶具有重要意义ꎮ在航空航天领域当中[３]ꎬ低成本航天器(ＥＬＶ)和可重复使用航天器(ＲＬＶ)具有对材料更高的要求ꎮ简而言之ꎬ就是具备低成本和轻量化ꎮ轻质高强复合材料在飞机等航空航天应用领域已成为主要部件的常用材料ꎬ因此复合材料低温燃料箱也成为目前航天探索和研究的未来方向ꎮ复合材料低温燃料箱的应用可以显著降低飞行器的重量从而节约飞机的成本ꎬ其质量比铝合金燃料箱轻约２０％~４０％ꎬ比传统钢制燃料箱优势则更为明显ꎬ可以满足飞机未来最小净起飞质量的要求ꎮ近年来ꎬ可重复使用运载火箭用液氧㊁液氢和液化天然气轻量化燃料箱的研究越来越受到重视ꎮ到目前为止ꎬ国外对低温复合燃料箱的研究已经比较深入ꎬ取得了很多研究成果ꎬ而国内对此的研究尚处于起步阶段ꎮ也因如此ꎬ航天领域的复合材料低温燃料箱研究进程要远快于气瓶ꎮ复合材料气瓶的研究可从两个方面着手:复合材料本身的低温性能研究和气瓶本身的研究ꎮ对于车载ＬＮＧ复合材料气瓶ꎬ目前的研究大多集中在复合材料的气密性和低温性能方面ꎬ而对于内外材料均为复合材料的气瓶研究较少ꎮ国内现阶段对于低温复合材料气瓶的研究也主要集中在复合材料相关的防渗性能和低温行为方面ꎬ对气瓶整体结构设计和分析的研究较少ꎬ针对整体工程应用的气瓶产品性能和实际情况更是没有涉足ꎮ实际上ꎬ经过十余年的积累和发展ꎬＬＮＧ作为清洁能源已经大量推广应用ꎬ在未来的车用ＬＮＧ瓶的数量也将持续大量增长ꎮ但现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势ꎬ所以与现在国家大力推广的高压储氢气瓶等无论从能源替代效果㊁储能密度㊁环保意义等均不占绝对优势ꎮ综合而论ꎬ目前国内ＬＮＧ气瓶的性能评价方法较为老旧ꎬ检验机构不足以支撑对于复合材料ＬＮＧ高压气瓶的较为贴合的性能评价需求ꎮ作为未来ＬＮＧ气瓶的重要发展趋势ꎬＬＮＧ气瓶性能评价平台的建立㊁形成符合实际情况的评价方法和标准至关重要ꎬ这也有将长久服务于能源结构多元化㊁清洁化的转型升级ꎮ因此ꎬ深入研究低温复合材料气瓶ꎬ完善其合理的设计和分析方法具有重要意义ꎬ我们可以借鉴汽车储氢气瓶和低温储罐的研究方法来研究ＬＮＧ气瓶ꎮ国内已有基于ＡＮＳＹＳ有限元软件针对复合材料ＬＮＧ车载气瓶ꎬ提出了其设计思路和模拟验证思路的相关研究[４－５]ꎬ可以实现有限元仿真的方法模拟气瓶的工况ꎬ分析计算气瓶在给定的不同工况下是否满足使用条件ꎮ２㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的未来展望结合ＧＢ/Ｔ３４５１０－２０１７«汽车用液化天然气气瓶»和目前ＬＮＧ气瓶轻量化㊁大容积化㊁高端化的ＬＮＧ气瓶趋势ꎮ提出对于复合材料ＬＮＧ气瓶发展的思路探索和未来展望ꎬ从选材环节开始ꎬ内胆材料选择轻量㊁耐低温㊁天然气介质相容(阻燃耐火)的高强复合材料ꎬ借鉴氢能源应用领域广泛应用的树脂固化纤维缠绕型式高压储氢气瓶ꎬ外壳材料选取放气率低㊁热导率低的低成本材料ꎬ真空夹层中的绝热材料及吸附材料满足阻燃特性和产品设计环节要求的真空维持性能和绝热性能ꎮ设计上ꎬ气瓶由内胆㊁外壳以及夹层中绝热层和阀门管路系统组成ꎬ在不同用途中选择不同结构型式和支撑方式ꎬ车载宜采用卧式ＬＮＧ气瓶型式ꎬ工业应用宜采用立式型式ꎮ积极探索增加容积上限和压力等级ꎬ结合新材料和新型式ꎬ实现更高储存密度的高效储能方式ꎮ在制造环节ꎬ优化现有工艺ꎬ提升复合材料可加工性和产品实际综合性能ꎬ从成型㊁焊接㊁组装㊁返修㊁清洁等环节ꎬ把握产品质量降低产品成本提升性能参数ꎮ实际产品落地之前ꎬ应用ＡＮＳＹＳ有限元软件对材料㊁结构㊁产品进行模拟仿真ꎬ验证其可靠性㊁性能ꎮ实际产品生产后ꎬ在现有检测手段的基础上提升检测能力和检测精度ꎬ积累试验数据和关键参数要求ꎬ不断提高相关产品性能指标ꎮ对于实际产品的验证和应用推广ꎬ在未来ꎬ不仅仅在复合材料ＬＮＧ气瓶的应用场景ꎬ同样在能源转型升级的大背景中ꎬ对于轻量高密度大容积低温液体储能而言都将拥有越来越广阔的市场ꎬ实现真正的能源产业革命ꎬ保障安全提升效率ꎮＬＮＧ气瓶属于使用量巨大的八大类特种设备之一ꎮ按照«特种设备安全法»要求ꎬ需要实施定期检验ꎬ完成检验方可投入下一周期使用ꎻ对于新型号产品需完成产品型式试验方可投产ꎬ一是在设计制造阶段的检验(型式试验及出厂检验)ꎬ二是在役设备的定期检验ꎮ在液化天然气产业中最为关键的上车应用环节ꎬＬＮＧ气瓶作为支撑的储存设备ꎬ由于装备内部装载的介质具有易燃易爆特性ꎬ而且其所处状态或低温ꎬ同时车辆行驶过程属于极为复杂的工况且关乎民生安全ꎬ因此其安全性必然是液化天然气领域乃至全社会关注的焦点ꎮ液化天然气储存装备的安全性㊁可靠性㊁效率高低已然成为决定氢能产业能否稳步发展的关键因素之一ꎮ同时ꎬＬＮＧ金属内胆气瓶已成熟应用多年ꎬ积累了丰富的实践经验ꎬ但极端条件下测试平台及其方法和标准完全不足以满足复合材料ＬＮＧ气瓶极端工况的要求ꎮ所以ꎬ应充分考虑新型产品实际本质安全ꎬ在考核指标中明确测试能力以保证复合ＬＮＧ气瓶产品的安全ꎬ摸清新产品的规律ꎬ才能真正实现液化天然气行业安全快速发展突破ꎮ３㊀结束语综上所述ꎬ本文对ＬＮＧ气瓶的使用情况和复合材料ＬＮＧ气瓶的研究现状进行了简要的概括ꎬ结合目前国内外研究现状和产品实际情况ꎬ提出了复合材料ＬＮＧ气瓶的未来发展展望和研究思路ꎮ由于低温绝热气瓶产品结构的特殊性ꎬ同时气瓶作为使用量巨大的特种设备ꎬ产品创新和应用推广具有较大的难度ꎮ但同时气瓶轻量化是大势所趋ꎬ在环保和节能减排的双重大背景下ꎬ打破固有思维定式ꎬ复合材料在低温绝热储能方式中大有可为ꎮ参考文献[１]王健.浅谈低温绝热气瓶的损坏形式及危害[Ｊ].低温与特气ꎬ２０２０ꎬ３８(０５):５２－５３.[２]许乔奇.Ｔ７００碳纤维/环氧复合材料超低温力学性能研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１６.[３]张辰威ꎬ张博明.复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术[Ｊ].航空学报ꎬ２０１４ꎬ３５(１０):２７４７－２７５５.[４]高二盼.复合材料ＬＮＧ车载气瓶有限元分析与研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１７.[５]刘凤阳.复合材料ＬＮＧ车用气瓶设计及有限元分析[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１８.(本文文献格式:李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ等.复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望[Ｊ].山东化工ꎬ２０２１ꎬ５０(１０):６３－６４.)４６ ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年第５０卷。

碳纤维复合气瓶工作温度
【原创实用版】
目录
1.碳纤维复合气瓶的概述
2.碳纤维复合气瓶的工作温度
3.碳纤维复合气瓶的优点
4.碳纤维复合气瓶的应用领域
正文
一、碳纤维复合气瓶的概述
碳纤维复合气瓶是一种采用碳纤维复合材料制成的高压气瓶，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，广泛应用于工业、科研、航空航天等领域。

二、碳纤维复合气瓶的工作温度
碳纤维复合气瓶的工作温度一般为 -40℃至 60℃。

在这个温度范围内，碳纤维复合材料具有良好的力学性能和化学稳定性，可以保证气瓶的安全性能和使用寿命。

三、碳纤维复合气瓶的优点
1.质量轻：碳纤维复合气瓶比传统金属气瓶更轻，减轻了使用者的负担。

2.高强度：碳纤维复合气瓶具有较高的拉伸强度和压缩强度，可以承受更高的压力。

3.耐腐蚀：碳纤维复合气瓶具有良好的耐腐蚀性能，适用于多种化学环境。

4.寿命长：碳纤维复合气瓶在正常使用条件下，具有较长的使用寿命。

四、碳纤维复合气瓶的应用领域
1.工业生产：碳纤维复合气瓶可用于存储和输送高压气体，如氧气、氮气、二氧化碳等。

2.科研实验：碳纤维复合气瓶可用于实验室的高压气体供应，满足科研实验的需求。

3.航空航天：碳纤维复合气瓶可应用于航空航天领域的高压气体存储和输送，如火箭发动机的氧化剂储箱等。

复合材料气瓶的结构、性能和应用研究冯刚【摘要】摘要对复合材料气瓶的成型工艺进行介绍,阐述了国内外复合气瓶的应用进展,并介绍了复合材料气瓶的结构和性能研究.【期刊名称】工程塑料应用【年(卷),期】2011(039)007【总页数】3【关键词】关键词复合材料气瓶结构有限元分析压力容器是化工、机械、原子能、轻工、航天、冶金、海洋开发等领域普遍采用的一种重要设备,以往大多采用金属材料加工制造,如钢瓶、钛合金气瓶等[1].为了最大限度地减轻气瓶质量,科技人员开始将金属气瓶转为纤维缠绕的复合材料气瓶[2].1 复合材料气瓶的分类复合材料气瓶一般采用两种分类方法,一是按照应用领域分为:(1)作为天然气燃料汽车的压缩天然气(CNG)贮罐;(2)应用于呼吸器系统,包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具;(3)应用于航空或航海,主要包括逃生滑梯冲气装置和航空吸氧装置[3].二是按内胆材料和增强材料分类:按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶;还可按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳能力强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点,目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用[4].2 复合材料气瓶的成型工艺复合材料气瓶的成型包括内衬的制造和纤维增强复合材料层缠绕成型.现以铝内胆碳纤维缠绕复合材料气瓶为例,说明其制造工艺,如图l所示.内衬的制造主要包括金属板热压、拉伸、旋压、热处理、后加工、检验等工序,可以参照GB/T 11640-2001《铝合金无缝气瓶》标准.纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维经过树脂浸胶或采用预浸胶纤维,按照一定的规律缠绕到芯模上,然后在加热或常温下固化,按照一定条件的修整,制成一定形状制品的一种生产工艺.3 国内外复合材料气瓶的应用进展3.1 国外研究进展气瓶的研制己经有50多年的历史,国外对复合材料气瓶的研究最早开始于20世纪50～60年代,主要用于国防和航空、航天领域,如军用飞机喷射系统,紧急动力系统和发动机重新启动应用系统使用的复合材料气瓶,以及航空试验室的氧气罐和导弹系统的压力源[5].制造复合材料气瓶是一项高技术,它吸引了国外技术力量雄厚的纤维缠绕大公司投入力量来开发,如美国著名的火箭及纤维缠绕壳体公司Thiokol公司,美国Brunswick军工企业等.他们利用自身的设备、技术、人才及军工生产方面的经验和优势,试图在气瓶的开发生产中占有一席之地,无疑这将推动气瓶制造技术快速发展[6].早期的复合材料气瓶采用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上,虽然其质量比钢质气瓶轻,但由于玻璃纤维复合材料的强度及静态疲劳寿命较低,气体渗透率较大,设计时需要采用较高的安全系数[7]才能保证其可靠性.20世纪60年代,复合材料气瓶中开始使用金属内胆.如果内胆足够厚,允许纤维全缠绕或环向缠绕增强,那么采用金属内胆的复合气瓶渗透率要比采用橡胶内胆的气瓶低得多,但前者的疲劳寿命却受到限制[7].20世纪70年代,复合材料气瓶在商用系统中的应用大大增加,玻璃纤维和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上[7],用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气,以及相类似的气瓶用于海军救生筏充气.3.2 国内研究进展和现状我国研究气瓶开始比较晚,在新材料的应用上经历了和国外相似的历程,目前国外有的新材料我国大都有产品或正在进行研制.但是我国研制的气瓶品种单一、性能较差、制造工艺和设备相对较为落后,这和我国的基础工业水平较差和工艺水平落后有着很大关系.目前我国除玻璃纤维/环氧复合材料气瓶进行工程应用外,其它类型的纤维增强复合材料气瓶虽然也开展了大量研究,但离工程化应用还有很大距离.现有的高性能有机纤维、碳纤维还需依靠进口,这也制约了我国复合材料气瓶技术的发展[8].在我国,有很多公司和院校投入大量资金和人力对复合材料气瓶进行各方面的研究.目前国内复合材料气瓶的生产单位主要有北京天海工业有限公司、西安向阳气瓶有限公司、四川自贡格瑞复合材料公司、沈阳中复科金压力容器有限公司和北京航空制造工程研究所.其中北京天海工业有限公司能设计、生产种类繁多的气瓶,已有7条生产线,年产100万只气瓶.其中一条就是从美国引进的纤维缠绕气瓶及呼吸气瓶生产线.该公司生产车用压缩天然气、机动车用液化石油气钢瓶和缠绕气瓶.钢质缠绕气瓶已取得美国NGV2-2000标准设计和制造许可证.现在市面出租车上所用的CNG气瓶,多是"天海"的钢质内胆外加环向纤维缠绕形式的气瓶.纤维采用的是玻璃纤维,基体用环氧树脂.沈阳中复科金压力容器有限公司的主导产品有碳纤维缠绕气瓶和缠绕气瓶用铝合金内胆.仅铝合金内胆而言,从1.4 L到20 L就有14个规格之多.四川自贡格瑞复合材料公司引进德国BSD设备和技术,于2000年6月生产CNG复合材料气瓶,年生产能力为5万只(按复合材料气瓶计算).自贡久大盐业集团公司、中国节能投资公司、哈尔滨玻璃钢研究所等为该公司的股东.哈尔滨玻璃钢研究所能提供四工位微机控制的气瓶专用缠绕机[9-10].另外国内的一些高校也投入到复合材料气瓶的研究中,哈尔滨工业大学下属的复合材料研究所,在气瓶复合材料层的黏弹性结构关系上做了大量研究,综合考虑了固化度、化学反应热、纤维张力、树脂黏度和固化反应等因素对外纤维缠绕层的影响,建立了固化过程中树脂的流动模型,并根据复合材料特有的性质建立了合理的气瓶模型.南京航空航天大学对全复合材料气瓶做了市场考察,在技术可行性方面提出全复合材料气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术.北京玻璃钢研究院在全复合材料气瓶的研制方面,将内胆采用了变壁厚的设计,使气瓶结构更加合理.另外武汉理工大学有自行研制的张力、含胶量微机控制系统;有高压气瓶纤维缠绕设备和工艺一体化制造技术.四川大学科技园也发出复合材料高压(CNG 气瓶)容器生产线招商消息.4 国内外复合材料气瓶性能和结构的研究情况目前,国外复合材料气瓶的研究主要集中在对复合材料本身的性能及容器本身的各种极限问题的研究上.Krikanov[11]采用数值方法,考虑了封头强度必须由螺旋缠绕层来提供,并用层合板参数进行了压力容器优化,并结合实验进行了优化设计.M.W.K.Rosenow[12]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°～85°之间变化时的应力应变;对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器,均衡性缠绕角最优值为55°.M.Z.Kabir[l3]把内衬视为理想塑性材料,而缠绕层视为弹性材料,研究了容器的等应力封头应力分布,同时又利用接触单元研究了纤维层与内衬界面应力分布问题.Adali等[l4]则应用弹性理论和Tsai-Wu破坏准则来计算容器的最大破坏压力,在此基础上采用鲁邦多维法进行了优化分析.Chamis等[15]研究了复合容器的断裂破坏问题.Ahlstrom[16]研究了复合容器的形状优化问题,并优化了纤维缠绕角.Martin[17]利用膜应力理论对复合容器进行了优化设计.国内的研究主要在结构设计以及数值模拟方面.陈汝训[18]对复合材料压力容器进行了设计,给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法;通过对具有内衬的压力容器的分析,提出了如果内衬选取塑性性能较高的材料时,可实现内衬和纤维缠绕壳体同时破坏,以提高壳体的承载能力;并指出对于具有内衬的厚壁纤维缠绕压力容器的分析是不能采用网格理论的.许贤泽等[19-20]对纤维缠绕复合材料气瓶壳体进行了弹性和弹塑性分析.刑志敏[9]分析了气瓶的弹性力学几何方程、气瓶的内力等;采用非电量电测法分别对复合材料气瓶和内衬铝胆的应变进行测试,并得出其应变分布曲线,分析出复合材料气瓶在压力加载下的轴向应变和环向应变主要发生在筒身部分,在封头和过渡区域的应变比较小;并利用AN-SYS对复合材料气瓶及其铝胆进行建模和分析计算,得出铝胆的工作应力水平是影响复合材料CNG气瓶工作性能的关键因素之一.许贤泽和刑志敏还对气瓶的破坏机理进行了探究和分析.苏文献等[21]对CNG燃料汽车气瓶进行了水压试验,同时进行了爆破试验,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析结果与实际情况吻合得较好.嵇醒等[22-23]讨论了对复合材料气瓶采用预紧工艺的必要性及其实现方法,并使用有限元分析软件分析了预紧压力对工作压力下气瓶应力的影响,得出预紧压力可以降低工作压力下气瓶的应力水平和提高气瓶的疲劳寿命[24].5 结语复合材料气瓶属于朝阳产业,目前正方兴未艾.国内外在复合材料气瓶的研究方面都投入了很大的人力和物力,我国的复合材料气瓶产业刚刚起步,目前还存在很多问题.但是我国的纤维缠绕技术有深厚的根基,把纤维缠绕技术和其它技术相结合,另外加强Ansys软件在复合材料气瓶方面的应用,在不久的将来便会收获成就和喜悦.参考文献[1]王明寅,刘文博,王士巍,等.复合材料高压氮气气瓶的结构设计与试验分析[J].纤维复合材料,2003,32(2):53-54.[2]赵颖.复合气瓶的界面及缠绕方式研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学,2002.[3]解越美,谭轶谦.复合材料气瓶在美国的现状及发展[J].锅炉压力容器安全技术,2002,24(6):15-17.[4]张克铜.空气呼吸器复合气瓶及定期检验[J].中国个体防护装备,2009,17(5):40-44.[5]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[6]张璇.铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究[D].长沙:国防科技大学,2007.[7]Vey R,Cederbergar,Schimentijd.Design and analysis techniques for composite pressure tankage with plastically operating aluminum liners,AIAA29022345[R].New York:AIAA,1990.[8]张洁.国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料,2007,36(3):39-42.[9]邢志敏.复合材料CNG气瓶的力学性能研究[D].北京.北方工业大学,2005.[10]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[11]Krikanov.Minimum weight design of pressure vessel with constraints on stiffness and strength[C].Proceedings of the 10th ASC Technical Conference on Composite material.Santa Monica,CA,1995:107-113. 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纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况1引言在压力容器中，中低压容器一般以板焊结构为主，而高压容器则出现多种结构：单层结构有整体锻造式、锻焊式、厚板卷焊式、电渣重熔式；多层结构有层板包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体包扎多层式；缠绕结构有绕丝式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式和型槽绕带式。

但这些结构都是指金属材料而言，单台压力容器重量根据容积大小和压力高低，最重的甚至可达数千吨。

而高压气瓶过去制造和使用的主要是金属材料即钢质和铝质的，按制造方法分有冲拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及冲压拉伸（C法）等。

随着材料科学和制造工艺技术的进步，由于气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，也出现了在金属或非金属材料内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶。

复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸器（如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系统等）及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域，也可用于某些压缩气体和液化气体及其混合物。

现就纤维缠绕复合气瓶的发展及其标准的有关情况作一简要说明。

2纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况2.1复合材料气瓶的发展复合材料气瓶的发展始于20 世纪50 年代，是基于火箭发动机复合材料机壳技术。

早期的复合气瓶是用玻纤浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上，虽然其重量比钢质轻，但由于玻纤较低的抗应力断裂及静态疲劳能力，以及气体渗透率较大，因此需要采用较高的安全系数。

20世纪60 年代开始使用金属内胆，如果内胆足够厚，允许纤维全缠绕或环缠绕增强。

复合气瓶采用金属内胆的渗透率比橡胶内胆的低得多，但内胆的疲劳寿命却受到限，薄壁内胆可在100～1000次循环产生开裂到泄漏，而厚壁内胆可在10000～30000 次循环产生泄漏。

复合材料容器和气瓶最早于20世纪50年代和60 年代用于国防和航天，这些容器或气瓶用于军用飞机的喷射系统，紧急动力系统和发动机重新启动应用系统，它们也用于航天试验室的氧气罐和导弹系统的压力源。

复合材料气瓶用环氧树脂固化性能研究0 引言树脂基复合材料由于其比强度、比模量高，膨胀系数低、耐腐蚀、电绝缘等优点，在航空航天船舶等尖端工业得到广泛应用，并在汽车、建筑、体育制品等领域有广泛应用[1，2]。

尤其是在压力气瓶方面的发展更是迅速，复合气瓶的商业用量不断增加。

在树脂基复合材料中，树脂起到连接纤维、传递应力的作用，因此树脂性能的好坏直接影响到复合材料的整体性能。

树脂性能本身受很多因素的影响，如原材料、配比、工艺成型、固化条件等，其中固化是成型工艺中重要的1个环节。

树脂固化就是高分子材料的交联反应，即树脂由线形分子结构变成网状大分子结构。

同样的树脂体系在加热固化时，因固化时间、固化温度的不同可以形成物理力学性能不同的、甚至是差异很大的分子结构。

时间短或温度低，树脂无法完全固化，而时间过长或温度过高则造成不必要的能源浪费，甚至会损伤其性能[3]。

另外，树脂的选定准则-般是以其延伸率略高于纤维的延伸率而达到最佳匹配，以牺牲其他条件为代价而获得远高于使用要求的延伸率实际上是-种性能浪费。

因此，根据具体使用要求寻求最佳的固化升温制度显得极为必要。

本文通过红外光谱、DMA、力学测试等理化分析手段对复合材料气瓶用E-51/DDM环氧树脂体系在不同固化制度下固化所得浇铸体进行研究,分析了固化制度对树脂性能的影响，为环氧树脂在复合材料气瓶上的应用奠定-定的基础。

1 实验过程1.1 原材料混合环氧树脂：自制；芳香胺类固化剂：化学纯，上海三爱思试剂有限公司生产；促进剂：上海三爱思试剂有限公司生产。

1.2 树脂体系DSC热分析按环氧树脂：固化剂：促进剂=110：35：0.5配比配制胶液，分别在不同升温速率下测定树脂的固化放热情况(仪器为德国产PE-7系列差动扫描量热分析仪)。

根据DSC分析曲线，反应放热峰皆在80℃左右开始启动，并经回归分析得出在1℃/min升温速率下，热峰温度为128℃。

因此，本实验取80℃与130℃为固化温度最高点，制定2个固化升温曲线，并制备出浇铸体，研究不同固化制度下树脂性能，对2种固化制度进行了比较。