復合材料全纏繞儲氫氣瓶成型屬于復合材料成型工藝領域，產品采用纏繞工藝成型，之后進入固化爐固化成型為產品。儲氫氣瓶的纏繞工藝根據使用原材料形 式 的區別，分為濕法纏繞工藝和干法纏繞工藝兩 種。濕法纏繞工藝使用的原材料形式為碳纖維 絲束，絲束首先在浸膠裝置中充分浸漬樹脂， 之后在張力控制下經絲嘴直接纏繞至芯模上。濕法纏繞工藝對原材料、設備要求不高，生產成 本較低，綜合投資較少，但存在含膠量較難控制 問題。干法纏繞工藝使用的原材料形式為預浸紗或預浸窄帶，預浸紗或預浸窄帶在纏繞機上經加 熱樹脂軟化至黏流態，之后纏繞至芯模上。干法纏繞工藝可精確控制樹脂含量 ( ±2%以內) ，產品質量穩定可控，生產效率較高 ( 纏繞速度可 達 100 ～ 200 m /min) ，與濕法纏繞相比生產環境友好。濕法纏繞工藝和干法纏繞工藝區別如圖 4 所示。

法纏繞工藝以經過預浸膠處理的預浸帶為原料，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態后纏繞到芯模上。其優點主要有：(1)專業生產的預浸紗線/帶，可以保證嚴格控制纖維和樹脂(精確至2%以內)含量比例，產品質量好且穩定；(2)生產效率高，纏繞速度可達100~200m/min；(3)纏繞設備及生產環境衛生整潔，便于清理，纏繞機的使用壽命也更長。

干法纏繞工藝流程圖

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，最后經過固化的成型方法。其優點主要如下：(1)生產成本較低，約比干法纏繞低40%。涉及的工藝設備比較簡單，設備投資小，且對原材料要求相對較低。(2)產品氣密性好，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。

(1)環向纏繞環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， 導絲頭在平行于芯模軸線方向的筒身區間運動。芯模每轉一周，導絲頭移動距離為一個紗片寬。如此循環下去，直至紗片均勻布滿芯模圓筒段表面為止。環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。

(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動，導絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復運動，這樣就在芯模的筒身和封頭上實現了螺旋纏繞,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。其纏繞過程為：纖維從容器一端的極孔圓周上某一點出發，沿著封頭曲面上與極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，最后繞回到開始纏 繞的封頭，如此循環下去，直至芯模表面均勻布滿纖維為止。這樣，當纖維均勻纏滿芯模表面時，就構成了雙層纖維層。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向纏繞和螺旋纏繞相結合的方式。

綜上所述，IV型儲氫瓶的生產制造流程如下圖所示。可以看到高壓氫瓶的生產過程主要包括：(1)襯里加工（將熱塑性烯烴聚合物制成內膽）(2)纖維纏繞成型(3)檢查檢驗

復合材料儲氫氣瓶由內至外包括內襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層、緩沖層。儲氫氣瓶進行充氣的周期可能較長，而氫氣在高壓下又具有很強的滲透性，所以氫氣儲罐內襯材料要有良好的阻隔功能，以保證大部分的氣體能夠儲存于容器中。

纖維纏繞層選用碳纖維作為增強材料，高強度、高模量的碳纖維材料通過纏繞成型技術而制備的復合材料氣瓶不僅結構合理、重量輕，而且良好的工藝性和可設計性在儲氫氣瓶制備上具有廣闊的應用空間。高壓儲氫氣瓶制備涉及的關鍵技術歸納總結如下：

在傳統的鋁內膽全纏繞氣瓶強度設計中，一般不考慮內膽承載，理論上氣瓶的內壓完全由增強纖維承擔。但事實上，氣瓶內膽在工作壓力下始終處于拉應力狀態，這是制約氣瓶疲勞壽命的關鍵。為同時滿足儲氫氣瓶重量輕、耐疲勞性好的要求，選擇合適的內膽形狀與尺寸意義重大。

豐田2代塑料內膽配置的創新和高效分層模式導致大約減少碳纖維用量的40%

碳纖維/樹脂基體間界面是影響復合材料性能的關鍵，而界面脫粘是復合材料失效主要方式之一。由于碳纖維拉伸強度、拉伸模量要顯著高于樹脂基體，因此碳纖維作為復合材料主承力結構材料，而界面作用體現在外部載荷作用于樹脂基體后可以有效轉移到碳纖維。在高壓儲氫瓶抗壓、防爆等特性對復合材料界面技術有較高要求。

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，因此應用較為廣泛，濕法纏繞設備主要包括纖維架、張力控制設備、浸膠槽、吐絲嘴以及旋轉芯模結構。國際上較先進的六維纏繞技術能夠很好地控制纖維走向，實現環向纏繞、旋向纏繞以及平面纏繞相結合。實際生產中多采用旋向纏繞與環向纏繞相結合的方式，環向纏繞可消除氣瓶受內壓而產生的環向應力，旋向纏繞可提供縱向應力，提升氣瓶整體性能。

纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據其結構要求，通常采用層板理論和網格理論來計算容器封頭、內襯、纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。通過環向纏繞與旋向纏繞交替進行實現多層次結構，選擇適當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。

纏繞成型工藝中需要合理使用張力控制系統，以保障所設計的線型能夠正確鋪覆并控制纖維含量。通過合理控制纏繞張力，可以提高制品的密實度，從而發揮纖維高強高模特性，提高制品抗內壓能力，改善制品的耐疲勞特性

當選用張力較大時，可以提高纖維含量，但較大的張力會導致外層纖維擠壓內層纖維，降低膠含量，影響性能; 選用張力較小時，會導致氣瓶密實度降低，并產生氣泡和缺陷。選擇合適的張力是纏繞成型技術的要點之一，纏繞過程中還需要遵循張力遞減原則，隨著纏繞層數的增加不斷減小張力，避免外層纖維張力過大將內層纖維壓曲折，防止出現內緊外松現象，保證各層纖維能夠均勻受力。

碳纖維儲氫氣瓶樹脂基體不僅需要滿足氣瓶對力學強度和韌性的要求，同時由于在長期充氣放氣的使用環境中，基體容易發生疲勞損傷，因此需要高強韌、耐疲勞樹脂體系以保障氣瓶的使用壽命。濕法纏繞成型所用的樹脂基體，除了要滿足相應性能外，還要求其在工作溫度下具有較低的初始粘度以及在該溫度下具有較長的適用期。環氧樹脂具有優異的力學性能、耐熱性能，固化工藝簡單多樣，具有很大的改性空間，并且其來源廣泛、價格合理，適用于濕法纏繞工藝體系。國內對環氧樹脂的研究已相當成熟，能夠生產適用于不同纖維界面并滿足相應適用條件的樹脂體系，通過NOL環測試判斷樹脂基體與纖維的界面粘接性、應力傳遞能力等。

復合材料儲氫氣瓶的未來發展將緊密跟隨氫能源技術的發展趨勢，通過材料、設計、制造工藝的創新和優化，以及標準和市場的推動，實現更廣泛的應用和更高的性能。隨著全球對清潔能源的追求，復合材料儲氫氣瓶將在推動氫能源革命中發揮重要作用。

（完）

參考文獻

[1]馬全勝,王文義,盧釗鈞.復合材料全纏繞儲氫氣瓶研制及應用進展[J].高科技纖維與應用,2023,48(03):13-19.