碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：氣瓶低成本化技術(shù)

碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：氣瓶低成本化技術(shù)摘要進(jìn)入新千年以來，美國能源部（DOE，DepartmentofEnerge）在高壓儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域開展了大量前瞻性研究工作，2006年-2009年DOE更是提出了氫能計(jì)劃，隸屬于DOE的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室等眾多科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)開展了系列化研究工作。本文成果主要來自于美國AppliedNanotech,Inc.公司，該公司在DOE經(jīng)費(fèi)支持下，通過采用碳納米管對(duì)環(huán)氧樹脂基體進(jìn)行強(qiáng)韌化改性，使得基體抗壓強(qiáng)度提高50％以上，壓縮模量提高60％以上，拉伸和彎曲性能也顯著改善。隨后通過使用碳纖維對(duì)碳納米管強(qiáng)韌化環(huán)氧樹脂進(jìn)行增強(qiáng)，進(jìn)一步加工成高壓儲(chǔ)氣瓶考察了CNT改性對(duì)最終產(chǎn)品性能影響。本文將對(duì)該項(xiàng)目技術(shù)信息進(jìn)行詳細(xì)闡述。附：本公眾號(hào)碳纖維高壓儲(chǔ)氣瓶原創(chuàng)文章：《寧波材料所新型高強(qiáng)高模碳纖維開發(fā)的高壓儲(chǔ)氣瓶通過測(cè)試》《復(fù)合材料氣瓶用增強(qiáng)纖維的發(fā)展與趨勢(shì)》《碳纖維復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶發(fā)展及應(yīng)用》《詳解國外碳纖維高壓儲(chǔ)氣瓶的市場(chǎng)供需及生產(chǎn)鏈條》《碳纖維高壓儲(chǔ)氫瓶的結(jié)構(gòu)及成本分析》《碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：III型、IV型氣瓶成本對(duì)比》《碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：碳纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換效率》《碳纖維高壓儲(chǔ)氫氣瓶系列專題論述：高壓氣瓶成本測(cè)算模型》關(guān)鍵材料成本構(gòu)成及降低成本預(yù)測(cè)分析高壓氣瓶用碳纖維復(fù)合材料材料成本如下表所示，在CFRP材料成本中占比最高為碳纖維，東麗T700碳纖維價(jià)格28美元/kg，而環(huán)氧樹脂價(jià)格則相對(duì)便宜。碳納米管強(qiáng)韌化環(huán)氧樹脂成本計(jì)算如下：環(huán)氧樹脂6$/kg，碳納米管價(jià)格約為0.1$/kg，其添加量為1%時(shí)，加上生產(chǎn)成本約2$/kg，因此1kgCNT（1.0％）強(qiáng)韌化環(huán)氧樹脂的總成本為：（0.99x6）+（0.1x10）+2）=8.94$/kg。與改性前環(huán)氧樹脂相比，成本增加了49％。而相比較未改性樹脂基復(fù)合材料，使用1％CNT對(duì)環(huán)氧樹脂基體強(qiáng)韌化改性后，CFRP復(fù)合材料的成本增加了約4.1％。眾所周知，碳纖維占?xì)淙剂舷淇偝杀镜?0-75％。假設(shè)碳纖維的成本約為高壓儲(chǔ)氣瓶的60％，如果使用CNT強(qiáng)韌化材料將CFRP部分的重量降低20％，則可將整個(gè)儲(chǔ)氣瓶的成本降低至少10％。若能夠?qū)FRP部分的重量降低40％，那么儲(chǔ)氣瓶的總成本可以進(jìn)一步降低近23％。詳細(xì)測(cè)算數(shù)據(jù)如下表所示：項(xiàng)目實(shí)施方案與結(jié)果本項(xiàng)目通過將任務(wù)分解，按照先從樹脂基體原材料性能與成本控制出發(fā)，然后擴(kuò)展CFRP以及高壓儲(chǔ)氣瓶，具體實(shí)施方案如下圖所示。碳纖維管先氧化引入-COOH，然后胺基化引入NH2基團(tuán)，其流程如下圖所示。而本項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵在于通過控制CNT的NH2官能團(tuán)含量，從而可以顯著改善用于制造儲(chǔ)氫罐的環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能。CNT對(duì)樹脂基體改性后內(nèi)部SEM圖如下所示，左圖為經(jīng)過氧化胺基化改性CNT與樹脂結(jié)合狀態(tài)，而右圖是僅僅氧化改性后CNT與樹脂結(jié)合狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用1%含量的胺基化CNT對(duì)環(huán)氧樹脂改性后，環(huán)氧樹脂壓縮強(qiáng)度由102.3MPa提高到157MPa，提高幅度52%，此外材料拉伸性能、彎曲性能均有不同程度提升。進(jìn)一步使用CNT強(qiáng)韌化環(huán)氧樹脂基體為材料，碳纖維增強(qiáng)后經(jīng)過纏繞加工成高壓儲(chǔ)氣瓶，同時(shí)與未改性樹脂基體進(jìn)行了對(duì)比爆破測(cè)試。結(jié)果顯示CNT增強(qiáng)高壓儲(chǔ)氣瓶的爆破壓力明顯更低，且壓力循環(huán)性能明顯低于對(duì)比樣。其原因在于與未改性樹脂經(jīng)基體相比，CNT增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的粘度增加，因此CNT增強(qiáng)環(huán)氧樹脂沒有滲透到碳纖維內(nèi)部，致使壓力負(fù)載傳遞能力的下降。為了解決樹脂黏度造成難以浸漬碳纖維問題，AppliedNanotech,Inc.公司與林肯復(fù)合材料Lincoln

Composites公司開展合作，通過對(duì)含量為0.3%CNT強(qiáng)韌化環(huán)氧樹脂中加入5％的表面活性劑，并制備得到環(huán)形CFRP結(jié)構(gòu)件，結(jié)果顯示改性后樹脂黏度會(huì)大幅降低，而層合板剪切強(qiáng)度卻基本變化不大?；贚incoln

Composites公司上述補(bǔ)充性工作使得AppliedNanotech,Inc.公司進(jìn)一步堅(jiān)定了利用樹脂基體改性增強(qiáng)復(fù)合材料性能，從而實(shí)現(xiàn)高壓儲(chǔ)氣瓶中CFRP用量控制來降低氣瓶成本信念，并將圍繞此目的開展進(jìn)一步研究工作。下期精彩文章內(nèi)容提要碳纖維在航空領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)有將近50年歷史，在近半世紀(jì)的發(fā)展過程中，哪