碳纤维高压储氢气瓶系列专题论述：气瓶低成本化技术
摘 要
本文成果主要来自于美国Applied Nanotech, Inc.公司，该公司在DOE经费支持下，通过采用碳纳米管对环氧树脂基体进行强韧化改性，使得基体抗压强度提高50％以上，压缩模量提高60％以上，拉伸和弯曲性能也显着改善。
随后通过使用碳纤维对碳纳米管强韧化环氧树脂进行增强，进一步加工成高压储气瓶考察了CNT改性对最终产品性能影响。本文将对该项目技术信息进行详细阐述。
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关键材料成本构成及降低成本预测分析
高压气瓶用碳纤维复合材料材料成本如下表所示，在CFRP材料成本中占比最高为碳纤维，东丽T700碳纤维价格28美元/kg，而环氧树脂价格则相对便宜。
碳纳米管强韧化环氧树脂成本计算如下：环氧树脂6$/kg，碳纳米管价格约为0.1$/kg，其添加量为1%时，加上生产成本约2$/kg，因此1kgCNT（1.0％）强韧化环氧树脂的总成本为：（0.99x6）+（0.1x10）+2）=8.94$/kg。
与改性前环氧树脂相比，成本增加了49％。而相比较未改性树脂基复合材料，使用1％CNT对环氧树脂基体强韧化改性后，CFRP复合材料的成本增加了约4.1％。
众所周知，碳纤维占氢燃料箱总成本的50-75％。假设碳纤维的成本约为高压储气瓶的60％，如果使用CNT强韧化材料将CFRP部分的重量降低20％，则可将整个储气瓶的成本降低至少10％。
若能够将CFRP部分的重量降低40％，那么储气瓶的总成本可以进一步降低近23％。详细测算数据如下表所示：
项目实施方案与结果
本项目通过将任务分解，按照先从树脂基体原材料性能与成本控制出发，然后扩展CFRP以及高压储气瓶，具体实施方案如下图所示。
碳纤维管先氧化引入-COOH，然后胺基化引入NH2基团，其流程如下图所示。而本项目技术关键在于通过控制CNT的NH2官能团含量，从而可以显着改善用于制造储氢罐的环氧树脂的机械性能。
CNT对树脂基体改性后内部SEM图如下所示，左图为经过氧化胺基化改性CNT与树脂结合状态，而右图是仅仅氧化改性后CNT与树脂结合状态。
试验结果显示，采用1%含量的胺基化CNT对环氧树脂改性后，环氧树脂压缩强度由102.3MPa提高到157MPa，提高幅度52%，此外材料拉伸性能、弯曲性能均有不同程度提升。
进一步使用CNT强韧化环氧树脂基体为材料，碳纤维增强后经过缠绕加工成高压储气瓶，同时与未改性树脂基体进行了对比爆破测试。
结果显示CNT增强高压储气瓶的爆破压力明显更低，且压力循环性能明显低于对比样。其原因在于与未改性树脂经基体相比，CNT增强环氧树脂的粘度增加，因此CNT增强环氧树脂没有渗透到碳纤维内部，致使压力负载传递能力的下降。
为了解决树脂黏度造成难以浸渍碳纤维问题，Applied Nanotech, Inc.公司与林肯复合材料Lincoln Composites公司开展合作，通过对含量为0.3%CNT强韧化环氧树脂中加入5％的表面活性剂，并制备得到环形CFRP结构件，结果显示改性后树脂黏度会大幅降低，而层合板剪切强度却基本变化不大。
基于Lincoln Composites公司上述补充性工作使得Applied Nanotech, Inc.公司进一步坚定了利用树脂基体改性增强复合材料性能，从而实现高压储气瓶中CFRP用量控制来降低气瓶成本信念，并将围绕此目的开展进一步研究工作。
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