Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺及装备研究
在全球碳达峰和碳中和的背景下，氢能作为一种无碳排放的清洁能源备受关注。高压气态储氢是当前氢能储运环节的主要方式，而以塑料作为内胆结合碳纤维全缠绕的Ⅳ型储氢瓶则成为研究热点之一。然而，现有的塑料内胆注塑-焊接成型方法无法避免出现焊缝缺陷，极易导致高压储氢气瓶失效。为了解决这一问题，内胆一体化成型工艺成为关键技术之一，但现有工艺及装备在成型效率、内胆质量和能源利用率等方面亟需开展研究与技术创新，以提高氢能储存与运输领域的能力水平。 本文围绕Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺及装备开展研究。创新研制以模具原位控温技术为核心的Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型装备，提高了成型过程控温的精度和平衡性。通过可视化方法研究了内胆气泡等典型缺陷的产生机理，并提出了成型工艺解决方案;在材料方面开展高阻隔尼龙增韧改性研究，提高了内胆材料的机械性能和气体阻隔性能。取得的主要研究成果如下所示: (1)创新提出模具分区原位控温工艺成型内胆的制备方法，并研制了Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型装备。针对储氢瓶内胆的高精度成型要求，采用模具分区原位控温的内胆制备方法，有限元仿真分析结果表明原位控温模具具有较好的温度均匀性，有效解决了传统滚塑工艺低控温精度和不均匀壁厚等成型问题。在此基础上，研制的Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型装备具有高精度控温和模具无极调速旋转摆动等功能，并通过测试验证其能源利用率高、模具温度均匀性好、可分区控温和高度自动化等优点，可充分满足内胆一体化成型的高要求。 (2)创新采用可视化方法研究揭示了内胆一体化成型典型缺陷产生机理，并提出相应的解决措施。研究表明，塑料粉末在滚塑模具内粘附堆积并熔融后逐渐形成内胆制品壁厚。模具旋转引起的粉末流动和温度场共同作用影响了塑料粉末与模具内表面的传热过程,并成为影响内胆制品壁厚均匀性的关键因素。本研究采用高控温精度的模具分区原位控温工艺来调控制品壁厚，成功实现了内胆壁厚的均匀控制和成型缺陷消除。同时，可视化实验表明塑料粉末粘附熔融过程中由于部分气体残留在熔体中导致制品气泡缺陷。利用模具控温工艺可使气泡在熔体中逐渐消溶并实现内胆制品气泡缺陷消除。此外，不同冷却方式对内胆材料结晶度和力学性能的实验研究表明强制风冷可以提升内胆制品的力学性能和加工效率。 (3)针对Ⅳ型储氢瓶内胆高阻隔、抗冲击的使用要求，研究了采用纳米填料(OMMT)和弹性体增韧剂(POE-g-MAH)的尼龙6改性制备方案。研究结果表明，由于弹性体增韧剂可使应力在两相之间传递时消耗更多能量，添加10wt％的POE-g-MAH可使尼龙6的抗冲击性能提升102.9％。由于片状OMMT填料可显著延长气体在复合材料基体中的渗透路径，添加3wt％的OMMT复合材料阻隔性能提高43.9％,并表现出对于提升冲击性能的协同作用。利用一体化成型装备试制内胆，结果表明改性尼龙在保持内胆壁厚均匀性的同时，抗冲击性能相对原始尼龙6内胆制品可提升50％。研究结果可为一体化成型高阻隔、抗冲击内胆提供材料解决方案。
储氢瓶;塑料内胆;一体化成型;材料改性
北京化工大学
硕士
机械
谢鹏程;李勇
2023
中文
TQ320.66
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）