Ⅳ型儲氫瓶采用非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，具有重量輕、儲氫密度高、壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于氫燃料電池汽車。其結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外依次包括內(nèi)膽（PA6、PA11、HDPE等）、中間層（CFRP碳纖維增強復(fù)合材料）和表層（GFRP玻璃纖維增強復(fù)合材料），整體具備優(yōu)異的耐壓性和阻氣性。
IV型瓶的制造主要涉及復(fù)合材料、閥門、調(diào)節(jié)器、組裝檢查等，生產(chǎn)制造流程如下圖所示?？梢钥吹礁邏簹淦康纳a(chǎn)過程主要包括：
（1）內(nèi)膽制造（將熱塑性烯烴聚合物制成內(nèi)膽）
（2）纖維纏繞成型
（3）檢測和裝配
Ⅳ型瓶生產(chǎn)流程圖
一、內(nèi)膽制造
IV型瓶內(nèi)膽多采用PA6、高密度聚乙烯（HDPE）以及PET聚酯塑料等，對應(yīng)的成型工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。
1. 注塑
注塑是將塑料材料熔融然后注入模腔，熔融的塑料一旦進入模具中冷卻后就會依模腔樣成型。
注塑儲氫瓶，圖源：未勢能源
注塑成型一般搭配焊接制備儲氫瓶，成本較低，應(yīng)用也比較廣泛，可提供高精度和尺寸穩(wěn)定性，但存在連接塑料內(nèi)膽與金屬瓶閥座的技術(shù)挑戰(zhàn)。豐田、現(xiàn)代已量產(chǎn)的IV型瓶均為注塑+焊接工藝。
2. 吹塑
吹塑是在閉合的模具內(nèi)利用壓縮空氣將擠出或注射成型得到的半熔融狀態(tài)的塑料型坯吹脹，然后冷卻而獲得中空制件的一種加工方法。
吹塑成型儲氫瓶，圖源：?？貜?fù)材
3. 滾塑
滾塑是將粉狀塑料裝入模具，然后旋轉(zhuǎn)并同時加熱，模內(nèi)的粉料逐漸熔融粘附于模腔，經(jīng)冷卻定型而制得塑料產(chǎn)品。
滾塑成型儲氫瓶，圖源：六拓新材
吹塑和滾塑成型都提供了一體成型的可能性，滾塑成型還允許金屬瓶閥座與塑料內(nèi)膽在線連接，展現(xiàn)了更大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值，但目前還面臨著成型精度和周期等挑戰(zhàn)。
二、纏繞成型
碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞，其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好，因此應(yīng)用較為廣泛。
1、濕法纏繞
濕法纏繞工藝是將碳纖維絲束在特定浸膠裝置中浸漬處理后，再在張力控制下直接纏繞到芯模上，后經(jīng)過固化的成型方法。設(shè)備主要包括纖維架、張力控制設(shè)備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉(zhuǎn)芯模結(jié)構(gòu)。
濕法纏繞工藝流程圖
其優(yōu)點主要如下：
（1）生產(chǎn)成本較低，約比干法纏繞低 40%。涉及的工藝設(shè)備比較簡單，設(shè)備投資小，且對原材料要求相對較低。
（2）產(chǎn)品氣密性好，在纏繞過程中，通過張力控制可以使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙。
（3）碳纖維表面浸漬的樹脂膠液可有效減少纖維磨損。
（4）纖維排列平行度好。
2、干法纏繞
干法纏繞工藝以經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸帶為原料，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。
干法纏繞工藝流程圖
其優(yōu)點主要有：
（1）生產(chǎn)的預(yù)浸紗線/帶，可以保證嚴(yán)格控制纖維和樹脂（至2%以內(nèi)）含量比例，產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定；
（2）生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100-200m/min；
（3）纏繞設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生整潔，便于清理，纏繞機的使用壽命也更長。
3、FW成型纏繞方式
纖維纏繞過程是按照一定的規(guī)則，將浸漬有樹脂膠的連續(xù)纖維或布帶纏繞在芯模上，然后將其固化和脫模。
纖維纏繞層的設(shè)計需要考慮纖維的各向異性，根據(jù)其結(jié)構(gòu)要求，通常采用層板理論和網(wǎng)格理論來計算容器封頭、內(nèi)襯、纖維纏繞層的應(yīng)力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。
（1）環(huán)向纏繞
環(huán)向纏繞是沿容器圓周方向進行的纏繞。纏繞時芯模繞自己軸線作勻速運動，導(dǎo)絲頭在平行于芯模軸線方向的筒身區(qū)間運動。芯模每轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭移動距離為一個紗片寬。如此循環(huán)下去，直至紗片均勻布滿芯模圓筒段表面為止。
環(huán)向纏繞的特點是纏繞只能在筒身段進行，不能纏到封頭上去。鄰近紗片間相接而不重疊，纖維的纏繞角通常在85°~90°之間。
環(huán)向纏繞示意圖
（2）螺旋纏繞
螺旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時芯模繞自己軸線勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復(fù)運動，這樣就在芯模的筒身和封頭上實現(xiàn)了螺旋纏繞,其纏繞角約為12°~70°。
在螺旋纏繞中，纖維纏繞不僅在筒身段進行，而且在封頭上也進行。
螺旋纏繞示意圖
其纏繞過程為：纖維從容器一端的孔圓周上某一點出發(fā)，沿著封頭曲面上與孔圓相切的曲線繞過封頭，并按螺旋線軌跡繞過圓筒段，進入另一端封頭，然后再返回到圓筒段，后繞回到開始纏 繞的封頭，如此循環(huán)下去，直至芯模表面均勻布滿纖維為止。
當(dāng)纖維均勻纏滿芯模表面時，就構(gòu)成了雙層纖維層。為保證纏繞后的氣瓶滿足使用的壓力要求，其纏繞方式一般選擇環(huán)向纏繞和螺旋纏繞相結(jié)合的方式。
儲氫瓶纏繞工藝
圖源：Roth Werke
通過環(huán)向纏繞與旋向纏繞交替進行實現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)纖維堆疊面積和縱向纏繞角度與旋向纏繞線型，不僅滿足強度要求，同時使封頭處能夠合理鋪覆。
（3）平面纏繞
平面纏繞又稱為縱向纏繞。縱向纏繞時芯模繞軸線慢速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)做勻速圓周運動，導(dǎo)絲頭轉(zhuǎn)動一周，芯模的轉(zhuǎn)角是一個紗片的寬度。紗片與芯模軸線間成0°~25°交角，纖維軌跡是一條單圓平面封閉曲線。
平面纏繞示意圖，圖源：濟南大學(xué)
平面纏繞示例，圖源：海控復(fù)材
三、儲氫瓶檢測
2023年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 42612-2023《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》規(guī)定了高壓儲氫瓶的各項型式試驗的要求及合格指標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)于2024年6月1日正式實施。
該標(biāo)準(zhǔn)明確了車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維纏繞氣瓶的設(shè)計、制造、測試、檢驗及儲運等要求，為行業(yè)提供了詳盡技術(shù)規(guī)范，促進了儲氫瓶標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，對氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要推動作用。
車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶試驗方法及合格指標(biāo)
圖源：特嗨氫能檢測
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