碳纤维氢气瓶制备工艺及安全质量评估

氢气瓶又称“高压储氢压力容器”是氢能源产业发展的重要支柱。近年来，为新能源汽车氢燃料电池起到很好的防御作用，各国政府和企业都非常重视压力容器的研发和使用，进而加大了氢燃料电池车的推广力度。尽管氢燃料电池车有很多优点，但也仍然面临一些性能挑战，那就是氢气储存的安全问题。

氢气瓶是氢燃料电池车存储氢气的重要“保护罩”，质量是否达标影响着车载储氢技术的发展速度。高压储气瓶主要分为四种：全金属气瓶（I型）、金属内胆纤维环向气瓶（II型）、金属内胆纤维全缠绕气瓶（III型）、非金属内胆纤维全缠绕（IV型）等。其中，前两种重量与气体容积比较大，主要用于工业存储氧气、氢气等。后两种因采用碳纤维全缠绕结构，且重量体积都很小，可以满足氢燃料电池汽车所使用。

四种压力容器

相比传统金属压力容器，Ⅳ型碳纤维复合材料氢气瓶具有质量轻、强度高、抗腐蚀性好等突出优点，可以有效地减轻装备自身的重量负担，提高其使用效率和安全性能。然而，复合材料存在改性效果有限，在受到外力和其他载荷时，比金属更容易发生变形；加上纤维缠绕复合材料各向异性容易导致氢气瓶因受力变形而发生爆炸，这极大地降低了复合材料氢气瓶结构的稳定性和使用可靠性。

纤维缠绕层是气瓶的关键组成部分，通常选择碳纤维增强复合材料（GFRP），再利用湿法缠绕制成，然而制备时的浸渍效率与不适宜的卷绕速度，会使树脂中存在大量的浸渍剂产生孔隙，降低气瓶材料的力学性能。

缠绕工艺优劣对比表

碳纤维气瓶缠绕孔隙缺陷超声C-Scan图像

纤维缠绕结构是一种常见的复合材料结构，其在制备或使用过程中可能出现纤维断裂、树脂基体开裂和孔隙分层等损伤失效情况。为了预测复合材料失效问题，常常利用水浸超声来进行纤维内部质量评估。

超声检测缺陷原理图解

水浸超声SAM是利用不同材料和缺陷位置的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的变化来鉴别材料内部有无缺陷的无损检测技术。复合材料水浸超声检测系统TCS-56CM，对提高复合材料氢气瓶安全性能检测具有重要意义。