碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：东丽新型碳纤维在气瓶轻量化中应用
摘 要
近十几年来，在高压储气瓶领域，除了美国开展了系列化研究工作外，日本东丽作为全球PAN基碳纤维领先生产商也在高压储气瓶用高性能碳纤维领域开展了研究工作。
日本东丽公司生产的碳纤维长期占据了全球III型、IV型高压储气瓶用碳纤维的主导地位，但目前高压储气瓶用最为广泛碳纤维如T700S、M30S存在模量较低等问题。
附：本公众号碳纤维高压储气瓶原创文章：
《宁波材料所新型碳纤维高压储气瓶通过测试》
《复合材料气瓶用增强纤维的发展与趋势》
《碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用》
《详解国外高压储气瓶的市场供需及生产链条》
《碳纤维气瓶专题1：结构及成本分析》
《碳纤维气瓶专题2：III型、IV型气瓶成本对比》
《碳纤维气瓶专题3：碳纤维强度转换效率》
《碳纤维气瓶专题4：高压气瓶成本测算模型》
《碳纤维气瓶专题5：气瓶低成本化技术》
《碳纤维气瓶专题6：提升储氢容量技术》
高压储气瓶用碳纤维性能要求
目前已商业化高压储气瓶分为四种类型，I型瓶完全由金属钢组成，而II型瓶（图1）采用金属钢材质，但外层缠绕玻璃纤维复合材料。
III型、IV型高压储气瓶外部缠绕碳纤维增强塑料（CFRP）材料，III型瓶内胆为金属，IV型瓶内胆为塑料。
图1 外部缠绕玻璃纤维复合材料的II型高压气瓶
III型、IV型高压储气瓶与II型气瓶主要区别在于，III型、IV型气瓶外部缠绕的CFRP起到主承载作用，而CFRP中碳纤维又是承载核心，因此对于高压气瓶对碳纤维材料性能要求也较高。
从高压储气瓶高刚性、高抗形变要求而言，碳纤维须具有高模量；高压容器为了获得高的填充压力，并基于突发爆破保护，须采用高强度碳纤维（图2）。
图2 高压储气瓶用碳纤维特性
高压储气瓶用碳纤维具体特性如下：
※ 兼具高强度高模量：当模量小于305GPa时，为了获得足够刚性，必须加大缠绕量，使其壁厚增加，容器重量增大；当模量大于420GPa时，缠绕量少，但耐冲击性能差，降低了耐压性能，且增加纤维生产成本。因而制造高压储气瓶所需碳纤维性能范围：拉伸强度4.5-5.5GPa、拉伸模量305-420GPa。
※ 细直径：纤维直径＜6μm，尤以5μm以下最佳，因为碳纤维单丝直径越细，越有利于提高其压缩强度和层间剪切强度，对于最终高压气瓶综合性能有积极意义。
※ 表面沟槽：采用湿法纺丝制备碳纤维可以获得明显轴向沟槽结构，该结构有利于碳纤维与树脂结合，并最终提高高压储气瓶中碳纤维强度转换效率。
基于上述纤维性能要求不难发现，目前市场上常用的高压气瓶用碳纤维如T700s、M30s等，无论是力学性能（模量低于300GPa），亦或是表面结构（采用干喷湿纺无明显沟槽），似乎并非是高压气瓶最佳材料，当然其优势在于价格较低。
日本东丽新型碳纤维材质气瓶
东丽公司T1000G产品强度为6.37GPa、模量为294GPa，2014年3月，东丽公司利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程，成功开发出拉伸强度6.6GPa、拉伸模量324GPa的T1100G碳纤维，2017年，T1100拉伸强度由6.6GPa提高到7.0GPa，模量不变。
图3 东丽新型碳纤维高压储氢瓶与其他材质对比
国内高压气瓶用新型碳纤维
近年来特种纤维事业部在高压储气瓶领域开展布局研究工作，与日本东丽公司研发目的相同，主要开展适用于III型、IV型高压气瓶用国产高性能碳纤维的研发，截止目前特种纤维事业部在高压储气瓶用新型碳纤维已研发出两代产品。
第一代新型碳纤维：2018年研发的新型碳纤维强度5.0-5.2GPa，模量330-400GPa，并利用该型纤维加工了高压储气瓶（图4），详见《宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试》。
图4 宁波材料所自研新型碳纤维材质高压储气瓶
第二代新型碳纤维：新型碳纤维强度＞5.5GPa，模量320-420GPa，2019年6月实现中试稳定生产，与第一代新型纤维相比，在保证模量无变化情况下，大幅提升了纤维强度。目前该材质高压储气瓶正在研发中。
在III型、IV型高压储氢气瓶中，碳纤维性能决定了气瓶安全性能和使用寿命，目前宁波材料所可实现强度5.0-6.0GPa、模量320-420GPa新型碳纤维稳定量产，并可提供基于性能、直径等定制化产品方案，欢迎有意于采用国产高性能碳纤维原料开展高压气瓶研究与生产客户垂询合作。
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