【原】碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：气瓶低成本化技术

碳纤复材 2020-12-03

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摘要

进入新千年以来，美国能源部（DOE，Department of Energe）在高压储氢瓶领域开展了大量前瞻性研究工作，2006年-2009年DOE更是提出了氢能计划，隶属于DOE的阿贡国家实验室、太平洋西北国家实验室等众多科研机构与企业开展了系列化研究工作。

本文成果主要来自于美国Applied Nanotech, Inc.公司，该公司在DOE经费支持下，通过采用碳纳米管对环氧树脂基体进行强韧化改性，使得基体抗压强度提高50％以上，压缩模量提高60％以上，拉伸和弯曲性能也显着改善。

随后通过使用碳纤维对碳纳米管强韧化环氧树脂进行增强，进一步加工成高压储气瓶考察了CNT改性对最终产品性能影响。本文将对该项目技术信息进行详细阐述。

附：本公众号碳纤维高压储气瓶原创文章：
《宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试》
《复合材料气瓶用增强纤维的发展与趋势》
《碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用》
《详解国外碳纤维高压储气瓶的市场供需及生产链条》
《碳纤维高压储氢瓶的结构及成本分析》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：III型、IV型气瓶成本对比》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：碳纤维强度转换效率》
《碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：高压气瓶成本测算模型》

关键材料成本构成及降低成本预测分析

高压气瓶用碳纤维复合材料材料成本如下表所示，在CFRP材料成本中占比最高为碳纤维，东丽T700碳纤维价格28美元/kg，而环氧树脂价格则相对便宜。

碳纳米管强韧化环氧树脂成本计算如下：环氧树脂6$/kg，碳纳米管价格约为0.1$/kg，其添加量为1%时，加上生产成本约2$/kg，因此1kgCNT（1.0％）强韧化环氧树脂的总成本为：（0.99x6）+（0.1x10）+2）=8.94$/kg。

与改性前环氧树脂相比，成本增加了49％。而相比较未改性树脂基复合材料，使用1％CNT对环氧树脂基体强韧化改性后，CFRP复合材料的成本增加了约4.1％。

众所周知，碳纤维占氢燃料箱总成本的50-75％。假设碳纤维的成本约为高压储气瓶的60％，如果使用CNT强韧化材料将CFRP部分的重量降低20％，则可将整个储气瓶的成本降低至少10％。

若能够将CFRP部分的重量降低40％，那么储气瓶的总成本可以进一步降低近23％。详细测算数据如下表所示：

项目实施方案与结果

本项目通过将任务分解，按照先从树脂基体原材料性能与成本控制出发，然后扩展CFRP以及高压储气瓶，具体实施方案如下图所示。

碳纤维管先氧化引入-COOH，然后胺基化引入NH2基团，其流程如下图所示。而本项目技术关键在于通过控制CNT的NH2官能团含量，从而可以显着改善用于制造储氢罐的环氧树脂的机械性能。

CNT对树脂基体改性后内部SEM图如下所示，左图为经过氧化胺基化改性CNT与树脂结合状态，而右图是仅仅氧化改性后CNT与树脂结合状态。

试验结果显示，采用1%含量的胺基化CNT对环氧树脂改性后，环氧树脂压缩强度由102.3MPa提高到157MPa，提高幅度52%，此外材料拉伸性能、弯曲性能均有不同程度提升。

进一步使用CNT强韧化环氧树脂基体为材料，碳纤维增强后经过缠绕加工成高压储气瓶，同时与未改性树脂基体进行了对比爆破测试。

结果显示CNT增强高压储气瓶的爆破压力明显更低，且压力循环性能明显低于对比样。其原因在于与未改性树脂经基体相比，CNT增强环氧树脂的粘度增加，因此CNT增强环氧树脂没有渗透到碳纤维内部，致使压力负载传递能力的下降。

为了解决树脂黏度造成难以浸渍碳纤维问题，Applied Nanotech, Inc.公司与林肯复合材料Lincoln Composites公司开展合作，通过对含量为0.3%CNT强韧化环氧树脂中加入5％的表面活性剂，并制备得到环形CFRP结构件，结果显示改性后树脂黏度会大幅降低，而层合板剪切强度却基本变化不大。