文献综述
随着科学技术的发展和人们生活生平的不断改善,人们对生活质量的要求也随之不断提高,汽车是生活生产中必不可少的交通运输工具,随着国家对双碳目标即碳中和、碳达峰的持续推进,在碳中和、碳达峰的目标下社会对汽车工业的转型升级也在持续进行[1],与此密切相关的新能源汽车行业成为人们越来越重视的行业,出租车、公交车、轿车、轻卡、重卡等一系列用途的汽车都在向新能源方向转型发展,其中新能源材料或介质在汽车运行过程中的储存也是行业研究的重点方向,CNG气瓶是汽车清洁能源燃料的常用储存装置之一,是新能源汽车的重要组成部分,CNG气瓶的研发、生产制造、使用维护都会对汽车性能产生巨大影响。
通过对储气瓶相关文献的查阅,主要整理储气瓶的发展现状、新应用技术、发展前景,并提出自己对储气瓶发展研究的见解和思路。
储气瓶作为新能源汽车的储能装置,对汽车的性能起着至关重要的作用。
储气瓶主要分为四类,分别是全金属气瓶、金属内衬纤维缠绕气瓶、非金属内衬纤维缠绕气瓶、无内衬全缠绕气瓶。
储气瓶发展初期主要为全金属材料气瓶,受限于科学技术的发展,全金属材料气瓶的性能主要由金属的性能决定,随着科学技术的发展,有了复合材料的气瓶,这大大推动了气瓶的发展,人们开始探索重量更轻、力学性能更好的复合材料,最终人们发现碳纤维复合材料的模量、泊松比等力学性能在诸多材料中更好,因此碳纤维就称为复合材料气瓶缠绕层的主力军。
现阶段的复合材料储气瓶质量轻、耐腐蚀性好、可靠性高、制造周期短、承载能力强、结构效率高、气密性和力学性能都较好[2],气瓶的内衬现今多为铝合金材质,铝合金具有密度小、气密性好和介质相容性好等特点,现今对内衬的技术发展,主要是在满足要求的前提下尽可能减少内衬的壁厚,据有关研究,铝合金内衬壁厚每减少0.1mm,总体质量将减少3%~6%[2]。
碳纤维是上世纪六十年代发展起来的新材料,其具有强度高、模量高、耐高温、化学腐蚀性能好等优点,在压力容器中应用最为广泛,先进的缠绕方式主要有三种,分别为环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕,缠绕成型工艺分为三类,分别为干法、湿法和半干法,碳纤维力学性能在储气瓶上主要靠缠绕角度的不同来改变,在缠绕过程中采用环向缠绕和螺旋缠绕交替的原则,缠绕层张力逐层递减,保证各层纤维的初试应力相等,避免外层纤维张力过大造成的内层纤维压曲折,纤维的方向、铺层顺序和铺层的层数对纤维缠绕层的强度都会产生很大影响,在缠绕过程中还要采用环氧树脂或改性环氧树脂配合相应的固化工艺,需要注意的是,在纤维缠绕的过程中纤维之间不可混合紧贴,每层仅允许一种纤维[2]。
现今对储气瓶的有限元研究主要在对铺层角度和铺层顺序排列对气瓶力学性能的影响这方面,不同的内衬材质,纤维缠绕铺层角度、铺层顺序都会对气瓶的综合力学性能产生影响,研究人员应根据实际工况对储气瓶的内衬、纤维缠绕铺层角度和铺层顺序进行合理的设计。
目前,国内铝合金内衬的制造工艺已经逐渐趋向成熟,纤维层技术还处于快速发展阶段,但与国外的先进技术相比还存有一定的差距,目前缠绕层的技术瓶颈主要为:①铝合金内衬与纤维缠绕层的接合面处理工艺;②纤维与树脂的配合使用工艺。
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