摘 要
在2010年前后，隸屬于美國能源部DOE（Department of Energe）的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory, PNNL）等開展了高壓儲氫瓶系列研究工作，而且DOE為美國國內(nèi)公司提供經(jīng)費(fèi)支持用于相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。
碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率
1、基本概念
在碳纖維材質(zhì)高壓儲氫氣瓶中存在碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率的概念，它是指在高壓儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)應(yīng)用中碳纖維實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的比值。
眾所周知，碳纖維受到外部張力時(shí)，如纖維受拉力方向與纖維軸向平行時(shí)，碳纖維的拉伸強(qiáng)度可以發(fā)揮最高水平，強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100%。
圖1 高壓氣瓶的纏繞成型加工
由于高壓氣瓶是采用碳纖維纏繞工藝加工，在氣瓶端部會產(chǎn)生彎曲卷繞，因此獨(dú)特的加工工藝使得碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率很難達(dá)到100%。
2、理論值
依據(jù)美國Quantum公司研究數(shù)據(jù)表明，對于35MPa高壓儲氣瓶轉(zhuǎn)換效率為82.5%，而70MPa高壓儲氣瓶的轉(zhuǎn)換效率為80%。
如果可以有效提升轉(zhuǎn)換效率，可以減少所需碳纖維用量，而且高壓氣瓶更加安全可靠，因此提升轉(zhuǎn)換效率有著重要現(xiàn)實(shí)意義。
3、影響因素
影響碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率的因素較多，主要涉及碳纖維、樹脂以及高壓氣瓶成型工藝等方面，如提高樹脂基體性能、改善碳纖維與基體之間的浸潤性、減少氣瓶成型中螺旋交叉等均是提高轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。
在提高轉(zhuǎn)換效率研究方面，PNNL通過與東麗公司（美國CFA）合作，重點(diǎn)開展了碳纖維表面改性、顆粒增強(qiáng)樹脂基體、纖維鋪層等研究工作。
轉(zhuǎn)換效率研究進(jìn)展
PNNL國家實(shí)驗(yàn)室將承擔(dān)項(xiàng)目分解為8個(gè)子課題，并與福特Ford、東麗Toray、AOC、Lincoln等公司合作，開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，而且部分研究精力集中在提高轉(zhuǎn)換效率領(lǐng)域。
圖2 美國PNNL高壓儲氣瓶項(xiàng)目任務(wù)分解
圖3 提高轉(zhuǎn)換效率的主要解決方案
4、表面改性技術(shù)
經(jīng)過改性后碳纖維與乙烯基樹脂基體界面結(jié)合強(qiáng)度最高超過12ksi，換算成公制單位約82MPa，滿足了工藝使用要求。
圖4 表面改性后碳纖維樹脂基體結(jié)合強(qiáng)度
圖5 改性后碳纖維與樹脂界面結(jié)合狀態(tài)
5、樹脂基體修飾技術(shù)
通過采用顆粒對樹脂基體進(jìn)行增強(qiáng)后，樹脂基體拉伸強(qiáng)度獲得顯著提升。
圖6 顆粒增強(qiáng)樹脂界面狀態(tài)及性能
篇尾語
碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率是影響高壓儲氫氣瓶的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，如果能夠采取有效途徑大幅提升轉(zhuǎn)換效率，可在最少碳纖維用量情況下，獲得最優(yōu)產(chǎn)品性能，并有助于成本控制，因此碳纖維表面改性技術(shù)、樹脂基體修飾技術(shù)是制備高壓儲氫氣瓶重要關(guān)鍵技術(shù)組成。
此外，從美國PNNL在高壓儲氣瓶領(lǐng)域研究不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)高壓氣瓶屬于系統(tǒng)工程，為了研制出性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的高壓儲氫氣瓶，PNNL不但和汽車生產(chǎn)商福特公司合作，而且在原材料領(lǐng)域更是與碳纖維企業(yè)東麗公司、樹脂生產(chǎn)商AOC公司開展廣泛合作。
“工業(yè)創(chuàng)新，材料先行。”只有對原材料進(jìn)行了深入了解，并解決了關(guān)鍵技術(shù)問題，才會有后續(xù)優(yōu)良產(chǎn)品。碳纖維材質(zhì)高壓儲氫瓶領(lǐng)域也一樣，除了后續(xù)關(guān)鍵的纏繞工藝外，新型高強(qiáng)高模碳纖維研發(fā)、碳纖維表面改性技術(shù)、樹脂基體修飾技術(shù)等均會影響最終產(chǎn)品性能，因此相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究必不可少。
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