摘 要

近十幾年來，在高壓儲氣瓶領域，除了美國開展了系列化研究工作外，日本東麗作為全球PAN基碳纖維領先生產商也在高壓儲氣瓶用高性能碳纖維領域開展了研究工作。

日本東麗公司生產的碳纖維長期占據了全球III型、IV型高壓儲氣瓶用碳纖維的主導地位，但目前高壓儲氣瓶用最為廣泛碳纖維如T700S、M30S存在模量較低等問題。

高壓儲氣瓶用碳纖維性能要求

目前已商業化高壓儲氣瓶分為四種類型，I型瓶完全由金屬鋼組成，而II型瓶（圖1）采用金屬鋼材質，但外層纏繞玻璃纖維復合材料。

III型、IV型高壓儲氣瓶外部纏繞碳纖維增強塑料（CFRP）材料，III型瓶內膽為金屬，IV型瓶內膽為塑料。

圖1 外部纏繞玻璃纖維復合材料的II型高壓氣瓶

III型、IV型高壓儲氣瓶與II型氣瓶主要區別在于，III型、IV型氣瓶外部纏繞的CFRP起到主承載作用，而CFRP中碳纖維又是承載核心，因此對于高壓氣瓶對碳纖維材料性能要求也較高。

從高壓儲氣瓶高剛性、高抗形變要求而言，碳纖維須具有高模量；高壓容器為了獲得高的填充壓力，并基于突發爆破保護，須采用高強度碳纖維（圖2）。

圖2 高壓儲氣瓶用碳纖維特性

高壓儲氣瓶用碳纖維具體特性如下：

※ 兼具高強度高模量：當模量小于305GPa時，為了獲得足夠剛性，必須加大纏繞量，使其壁厚增加，容器重量增大；當模量大于420GPa時，纏繞量少，但耐沖擊性能差，降低了耐壓性能，且增加纖維生產成本。因而制造高壓儲氣瓶所需碳纖維性能范圍：拉伸強度4.5-5.5GPa、拉伸模量305-420GPa。

※ 細直徑：纖維直徑＜6μm，尤以5μm以下最佳，因為碳纖維單絲直徑越細，越有利于提高其壓縮強度和層間剪切強度，對于最終高壓氣瓶綜合性能有積極意義。

※ 表面溝槽：采用濕法紡絲制備碳纖維可以獲得明顯軸向溝槽結構，該結構有利于碳纖維與樹脂結合，并最終提高高壓儲氣瓶中碳纖維強度轉換效率。

基于上述纖維性能要求不難發現，目前市場上常用的高壓氣瓶用碳纖維如T700s、M30s等，無論是力學性能（模量低于300GPa），亦或是表面結構（采用干噴濕紡無明顯溝槽），似乎并非是高壓氣瓶最佳材料，當然其優勢在于價格較低。

日本東麗新型碳纖維材質氣瓶

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