前言

雙碳背景下，氫能在我國(guó)有廣闊應(yīng)用前景。2019年以來(lái)國(guó)家頂層設(shè)計(jì)密集出臺(tái)，2022年3月《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》出臺(tái)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策東風(fēng)已至。燃料電池汽車(chē)（FCEV）是未來(lái)氫能應(yīng)用的核心，也是政策推廣支持重點(diǎn)，未來(lái)將呈現(xiàn)出與純電動(dòng)汽車(chē)互補(bǔ)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。氫動(dòng)力燃料電池(FCEV)的引入可以成為實(shí)現(xiàn)綠色長(zhǎng)途道路移動(dòng)的技術(shù)推動(dòng)者。未來(lái)十年FCEV產(chǎn)量將會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)，這也直接推動(dòng)了高性能復(fù)合材料壓力容器的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

圖1?氫燃料電池車(chē)（FCEV）用儲(chǔ)氫瓶

圖2?全球氫燃料電池車(chē)產(chǎn)量預(yù)測(cè)

復(fù)合材料壓力容器是H2-FCEV的關(guān)鍵儲(chǔ)存系統(tǒng)，壓力高達(dá)700bar，圓柱形罐儲(chǔ)存FCEV中使用的氫氣。其中主要成本是碳纖維材料，占總成本的50%以上。

圖3?儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本分布

02為什么要對(duì)壓力容器圓頂部進(jìn)行增強(qiáng)加固？

在典型的壓力容器（PV）上，纖維取向在整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度和表面上都不同。通常，壓力容器（PV）是通過(guò)將浸漬纖維長(zhǎng)絲采用不同角度的纏繞方式（取向）纏繞在聚合物襯里上制造而成。纏繞方式主要有三種：
· 環(huán)向纏繞：θ≈90°·?低角度螺旋纏繞（LAHL）：0° < θ < 45°· 高角度螺旋纏繞（HAHL）：45° < θ < 90°

圖4?壓力容器的三種纏繞方式

由圖可知，隨著纖維增強(qiáng)與應(yīng)力之間的角度偏差增加，復(fù)合材料鋪層的強(qiáng)度顯著降低。原則上，高角度螺旋纏繞層與環(huán)向和軸向的偏差范圍為20°~75°，這意味著它們的實(shí)際性能只發(fā)揮了材料全部潛力的15%至50%。簡(jiǎn)而言之，氣瓶上的高角度螺旋纏繞（HAHL）并沒(méi)有達(dá)到最理想的狀態(tài)。
為什么在壓力容器（PV）上使用高角度螺旋纏繞（HAHL）呢？其主要原因是，它們對(duì)瓶體圓頂過(guò)渡部分的應(yīng)力有很大的貢獻(xiàn)。
因此，如何以更有效的方式處理高角度螺旋纏繞（HAHL）的增強(qiáng)材料呢？答案是在瓶體的圓頂過(guò)度部分采用鋪帶的方式替代高角度螺旋纏繞（HAHL）。

03鋪帶方式的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)ABAQUS模型計(jì)算，考慮了使用帶材進(jìn)行局部強(qiáng)度增強(qiáng)，在圓頂部采用碳纖維帶材，其目的是減少圓柱部分和圓頂部分之間剛度的不連續(xù)性，并實(shí)現(xiàn)與螺旋纏繞相同的應(yīng)力。

圖5?壓力容器的圓頂部采用鋪帶方式替代傳統(tǒng)的纏繞方式

采用鋪帶工藝，不僅使復(fù)合材料厚度上的應(yīng)力分布更加均勻，同時(shí)減少了碳纖維材料的使用量，可謂一舉兩得。根據(jù)美國(guó)能源部的文獻(xiàn)調(diào)查，得出結(jié)論，采用圓頂部鋪帶方式加固可減少碳纖維材料用量減少15%。

圖6?圓頂部鋪帶方式可減少材料的使用量

04自動(dòng)化高速高壓容器鋪帶過(guò)程

圖7 自動(dòng)化高速鋪帶流程

05自動(dòng)化高速高壓容器鋪帶設(shè)備

圖8?設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

圖9 自動(dòng)化高速鋪帶設(shè)備各個(gè)單元

圖10?自動(dòng)化高速鋪帶設(shè)備

圖11?實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景

圖12?實(shí)際鋪帶效果

06專用設(shè)計(jì)軟件

圖13?專用CAD/CAE設(shè)計(jì)軟件

07專用配套預(yù)浸料

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性單向預(yù)浸(TPUD)帶作為單向拉伸強(qiáng)度和模量極高的材料，其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)CFRTP粒料，在可塑性和產(chǎn)品復(fù)雜性方面又遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CFRTP紗線。這種工藝對(duì)連續(xù)碳纖維展絲以及與熱塑性樹(shù)脂的浸漬都提出了很高的要求。熱塑性樹(shù)脂的粘度非常大，因此展紗要展得足夠開(kāi)、足夠薄，樹(shù)脂基體的浸涂量要均勻，碳纖維必須在樹(shù)脂基體里得到充分的浸潤(rùn)，才能保證良好的性能效果。經(jīng)過(guò)連續(xù)數(shù)年的努力，納盛通已經(jīng)擁有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PA/PPS/PEEK等系列單向預(yù)浸帶的制作工藝，采用這種預(yù)浸帶制作的零部件均具有較高的拉伸延伸率和斷裂拉伸強(qiáng)度，以及良好的抗沖擊強(qiáng)度，在耐高溫、耐磨、耐腐蝕和輕量化方面有出色表現(xiàn)。

用于儲(chǔ)氫瓶等的增強(qiáng)片材，材料可人工鋪放，也可以通過(guò)纏繞或自動(dòng)鋪放（自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲）直接加工鋪層。

圖14?自動(dòng)化鋪帶設(shè)備用帶材/片材

08結(jié)束語(yǔ)

采用自動(dòng)化鋪帶系統(tǒng)，與全纏繞方式相比，每個(gè)儲(chǔ)氫瓶的重量減輕16%，成本降低11%，加工時(shí)間減少16%。
自動(dòng)化高速鋪帶設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)有：
1. 替代高角度螺旋纏繞。節(jié)省15%材料使用量和成本、提高5%的儲(chǔ)存容積。2. 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。易于集成，無(wú)需額外的后期處理。3. 直接在內(nèi)膽上鋪帶。提高FW纏繞效率15%。4. 柔性FPP系統(tǒng)技術(shù)。適用于不同尺寸、不同幾何形狀瓶體的鋪層。

圖15?自動(dòng)化高速鋪帶設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域

來(lái)源：前沿材料

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