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ⅳ型储氢瓶增强增韧高阻隔内胆材料微纳叠层制备工艺研究

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Ⅳ型储氢瓶增强增韧高阻隔内胆材料微纳叠层制备工艺研究

作者：杨嘉宁北京化工大学

学位级别：硕士

由于质量轻、成本低、耐疲劳且储氢密度大等特点,ⅳ型储氢瓶正成为未来储氢瓶行业的发展趋势。塑料内胆作为ⅳ型储氢瓶的核心部件,承担了防止氢气泄漏及承担碳纤维缠绕等作用。高密度聚乙烯(HDPE)作为ⅳ型储氢瓶内胆最常见的基体材料,... 详细信息

由于质量轻、成本低、耐疲劳且储氢密度大等特点,ⅳ型储氢瓶正成为未来储氢瓶行业的发展趋势。塑料内胆作为ⅳ型储氢瓶的核心部件,承担了防止氢气泄漏及承担碳纤维缠绕等作用。高密度聚乙烯(HDPE)作为ⅳ型储氢瓶内胆最常见的基体材料,具有应用广泛且成本低廉的特点。然而以HDPE为基材的ⅳ型储氢瓶内胆由于材料力学强度较低常发生屈服塌陷等现象,并且HDPE具有较高的气体渗透系数,氢气极易穿透而发生扩散,制约了ⅳ型储氢瓶的储氢密度进一步的提升。本文通过以HDPE为基体材料,以蒙脱土(MMT)、氧化石墨烯(GO)为功能填料,制备出具有优异力学性能和气体阻隔性能的复合材料,用于ⅳ型储氢瓶内胆成型。并且引入微纳层叠挤出技术这一新型的聚合物加工方法,用于成型ⅳ型储氢瓶内胆复合材料,并对微纳层叠后的复合材料制品的结构与性能展开研究,最后采用滚塑成型工艺制备了高力学性能高气体阻隔性的ⅳ型储氢瓶缩比制品。主要工作如下:1.通过采用多种相容剂改善ⅳ型储氢瓶用HDPE/MMT复合材料的相容性,对其进行微观结构与力学性能对比,以此确定最佳相容剂为KH550,并探究MMT含量对复合材料力学性能的影响,最终确定使材料达到最佳增强增韧效果的MMT含量为2wt%—3wt%。2.对HDPE/MMT复合材料进行微纳层叠工艺模拟仿真研究。搭建了微纳层叠单元的流道模型,分析了流道内压力场,速度场和剪切速率场的分布规律,并探究了流量与黏度对层叠制品性能的影响。3.采用微纳层叠法制备增强增韧型HDPE/MMT复合材料,并与模压成型的复合材料进行了微观结构与性能对比。结果表明:微纳层叠技术能够使聚合物分子链受到拉伸和取向作用,填料更加分散而使得材料的力学强度和韧性得到明显提升,与模压成型的HDPE相比,拉伸强度提升68.75%,断裂伸长率提升62.25%。4.采用微纳层叠法制备了高阻隔性HDPE/MMT/GO三元复合材料,探究了三元复合材料下的填料分散及取向对气体阻隔性的影响规律,最终使三元微层复合材料的氦气透过率与纯HDPE相比,降低了55.19%。5.采用滚塑成型工艺制备ⅳ型储氢瓶内胆缩比制品。通过改善工艺参数消除了滚塑制品的典型缺陷,并对微纳层叠成型的复合材料进行磨粉,与纯HDPE相比,增强型复合材料在力学性能等方面得到改善。综上所述,针对HDPE内胆力学强度低及气体阻隔性弱等缺点,本研究在内胆材料改性和制备工艺改进等方面提供了解决方案,为今后ⅳ型储氢瓶进一步轻量化、高强度、高阻隔的制备工艺提供了参考。

关键词： ⅳ型储氢瓶增强增韧微纳层叠气体阻隔

管束集装箱ⅳ型储氢瓶筒体CFRP层抗弹冲击数值模拟

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塑料工业 2021年第7期49卷 139-143页

作者：徐春栋方堃丁玉梅杨卫民谢鹏程北京化工大学机电工程学院北京100029

利用Abaqus/Explicit有限元仿真软件建立了管束集装箱ⅳ型储氢瓶筒体碳纤维增强复合材料(CFRP)层子弹冲击模型,重点探讨了当子弹以不同冲击初始速度穿透均衡CFRP储氢瓶筒体时的纤维缠绕角度与筒体CFRP层抗弹冲击性能的变化规律。结果表... 详细信息

利用Abaqus/Explicit有限元仿真软件建立了管束集装箱ⅳ型储氢瓶筒体碳纤维增强复合材料(CFRP)层子弹冲击模型,重点探讨了当子弹以不同冲击初始速度穿透均衡CFRP储氢瓶筒体时的纤维缠绕角度与筒体CFRP层抗弹冲击性能的变化规律。结果表明:在模拟条件下,当子弹以250~500 m/s的较低速度冲击储氢瓶筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能伴随纤维缠绕角度的递增呈现先增强后减弱的趋势,在缠绕角度为±45°左右时的筒体CFRP层抗弹冲击性能最好;当子弹以500~850 m/s的较高速度冲击筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能同纤维缠绕角度的关系不明显。该研究可为管束集装箱ⅳ型储氢瓶的抗冲击设计及优化提供参考。

关键词： ⅳ型储氢瓶碳纤维增强复合材料缠绕角度子弹冲击数值模拟

高压大容量ⅳ型储氢瓶密封结构设计与性能仿真研究

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高压大容量Ⅳ型储氢瓶密封结构设计与性能仿真研究

作者：陈怡博北京化工大学

学位级别：硕士

氢能作为无任何碳排放的“终极能源”已成为全球的关注重点。以塑料内胆为典型特征的Ⅳ型高压储氢瓶因重量轻、储氢密度高、抗疲劳和抗高压氢脆等优势,已成为国内外储氢容器的重要发展方向。其中,安全可靠的密封结构设计是决定其承压能... 详细信息

氢能作为无任何碳排放的“终极能源”已成为全球的关注重点。以塑料内胆为典型特征的Ⅳ型高压储氢瓶因重量轻、储氢密度高、抗疲劳和抗高压氢脆等优势,已成为国内外储氢容器的重要发展方向。其中,安全可靠的密封结构设计是决定其承压能力和使用寿命的重要因素,也是国内外急需解决的关键技术问题。与传统金属密封与III型储氢瓶密封不同,ⅳ型储氢瓶有“金属阀座-塑料内胆界面密封”和“瓶阀内塞-塑料内胆密封”两种特有密封形式,存在界面结构设计经验缺失和塑料内胆材料特性对密封性能影响不明确等问题。本文基于管束集装箱用高压大容量ⅳ型储氢瓶,针对上述问题进行了密封结构设计与仿真性能研究,主要研究成果如下:(1)高压大容量ⅳ型储氢瓶密封结构数值分析模型的建立。针对塑料内胆尼龙6材料特性,采用理论与力学测试相结合的方式构建其温度相关的黏弹性本构模型;提出一种防氢脆可拆卸的塑料内胆全包覆密封形式,结合密封结构实际安装过程、储氢瓶充氢升温工况和内胆本构模型建立适用于密封结构性能研究的数值分析模型,利用已有理论模型验证分析模型的准确性。(2)高压大容量ⅳ型储氢瓶密封结构设计与优化。通过分析密封结构中高压氢气潜在泄漏路径,明确两种特有密封形式;分别对两种特有密封结构,即内胆与异质界面结构和密封圈结构进行设计;利用有限元数值分析模型对两种结构进行密封性能尺寸规律探究;对内胆与异质界面,探究了金属阀座幅板半径、塑料内胆厚度及异质界面尺寸对其密封性能的影响规律;对密封圈结构,探究了密封圈压缩率、密封槽倒角与配合间隙对其密封性能的影响规律;综合考虑尺寸性能影响规律、制造工艺、各部件止转等多种因素,对密封圈结构、内胆与异质界面、金属阀座进行详细优化设计,得到了高压大容量ⅳ型储氢瓶优选密封结构设计。(3)高压大容量ⅳ型储氢瓶密封结构服役性能研究。对优选密封结构各部件进行仿真设计校核、性能评价与试验验证,包括对金属阀座的强度与疲劳校核,内胆结构的应力分析,异质界面与密封圈结构的密封性能评价和整瓶水压试验验证,结果表明优选密封结构安全可靠,满足高压大容量ⅳ型储氢瓶密封要求。

关键词： ⅳ型储氢瓶塑料内胆异质界面高压密封有限元模拟

ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌剥离机理数值仿真研究

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Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌剥离机理数值仿真研究

第十七届中国CAE工程分析技术年会

作者：查燕王修磊杨卫民谢鹏程北京化工大学机电工程学院

本文利用Abaqus有限元仿真软件建立了ⅳ型储氢瓶塑料内胆在实际排气过程中发生坍塌剥离的有限元模型（FEM）,其中首次在ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌模型的研究中引入了复合材料层（CFRP）与聚合物内胆（HDPE）之间的界面损伤机制,并探讨了... 详细信息

本文利用Abaqus有限元仿真软件建立了ⅳ型储氢瓶塑料内胆在实际排气过程中发生坍塌剥离的有限元模型（FEM）,其中首次在ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌模型的研究中引入了复合材料层（CFRP）与聚合物内胆（HDPE）之间的界面损伤机制,并探讨了内胆结构尺寸（厚径比w/D）,排气速率等参数对于内胆屈曲坍塌的影响规律。结果表明:对于所选弹塑性材料模型,在内胆壁厚较小时,内胆厚径比w/D与临界坍塌压力呈幂函数关系,内胆发生弹性坍塌,此外,排气速率对于内胆坍塌压力具有主导性的影响作用,该研究可为ⅳ型储氢瓶的塑料内胆结构设计及实际使用规范提供可靠参考。

关键词： ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失效 FEM模拟

来源： cnki会议评论

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Ⅳ型高压储氢瓶密封结构设计及性能仿真研究

压力容器 2023年第9期40卷 37-44页

作者：陈怡博王修磊查燕谢金钊靳耀杨卫民谢鹏程北京化工大学机电工程学院北京100029 合肥通用机械研究院有限公司合肥230031 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029 北京化工大学人工智能交叉学科研究中心北京100029

ⅳ型储氢瓶塑料内胆具有轻量化优势,但塑料低模量特性和自由体积易因为高压而发生较大形变,导致密封圈预压缩量减小而出现高压氢泄漏。因此,探明瓶口塑料密封结构对高压密封性能的影响至关重要。基于管束集装箱用大容量Ⅳ型高压储氢瓶,... 详细信息

ⅳ型储氢瓶塑料内胆具有轻量化优势,但塑料低模量特性和自由体积易因为高压而发生较大形变,导致密封圈预压缩量减小而出现高压氢泄漏。因此,探明瓶口塑料密封结构对高压密封性能的影响至关重要。基于管束集装箱用大容量Ⅳ型高压储氢瓶,构建了瓶口密封结构有限元分析模型,分析了两种典型内胆材料在温度、压力、结构变化下的内胆形变和应力状态。结果表明,高模量材料、较小的径向塑料密封面厚度均有利于减小塑料密封面形变,较大的环向槽内倒角有利于减小内胆局部应力和增加界面处的抗氢泄漏能力;密封圈应远离环向槽结构布置。该研究为塑料内胆的瓶口密封结构设计提供了可参考的设计思路、方法与建议。

关键词： ⅳ型储氢瓶密封结构塑料内胆结构设计有限元模拟

ⅳ型储氢瓶内胆滚塑成型设计尺寸一致性保持方法

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压力容器 2023年第11期40卷 33-38,54页

作者：刘雨薇王修磊查燕陈怡博段育辰谢鹏程杨卫民北京化工大学机电工程学院北京100029 合肥通用机械研究院有限公司合肥230031 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

针对ⅳ型储氢瓶塑料内胆在成型过程中的冷却收缩问题,在现有的工艺条件相对成熟的情况下,很难得到改善。提出一种ⅳ型储氢瓶在成型过程中塑料内胆冷却收缩变形补偿方法,该方法通过对塑料内胆成型冷却过程的数值模拟,计算塑料内胆在成型... 详细信息

针对ⅳ型储氢瓶塑料内胆在成型过程中的冷却收缩问题,在现有的工艺条件相对成熟的情况下,很难得到改善。提出一种ⅳ型储氢瓶在成型过程中塑料内胆冷却收缩变形补偿方法,该方法通过对塑料内胆成型冷却过程的数值模拟,计算塑料内胆在成型冷却过程中的收缩变形量,并以模拟结果为基础,确定塑料内胆不同位置的反向补偿值,对塑料内胆形状尺寸进行预变形处理,实现了最终成型尺寸和设计尺寸的一致性。通过使用该变形补偿方法,实现了外径676 mm、壁厚8 mm、长度1932 mm的塑料内胆成型尺寸和设计尺寸的一致性保持,最大变形量控制在2 mm之内。采用有限元模拟方法降低了储氢瓶塑料内胆的生产成本,并且为模具设计提供了可靠的依据。

关键词： ⅳ型储氢瓶塑料内胆反向补偿有限元分析

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ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺及装备研究

Ⅳ型储氢瓶内胆一体化成型工艺及装备研究

作者：田明明北京化工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： ⅳ型储氢瓶塑料内胆一体化成型内胆材料改性

70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶铺层设计与实验验证

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西安交通大学学报 2022年第10期56卷 71-80页

作者：鄢家乐陈学东范志超徐鹏浙江工业大学机械工程学院杭州310023 合肥通用机械研究院有限公司合肥230031

为了准确预测封头纤维厚度和改善封头纤维堆积,采用理论分析、有限元模拟和实验验证相结合的方式,提出了一种结合三次样条函数封头厚度预测法与扩孔缠绕工艺的碳纤维全缠绕复合材料气瓶铺层设计方法。根据设计结果,基于ANSYSACP软件建... 详细信息

为了准确预测封头纤维厚度和改善封头纤维堆积,采用理论分析、有限元模拟和实验验证相结合的方式,提出了一种结合三次样条函数封头厚度预测法与扩孔缠绕工艺的碳纤维全缠绕复合材料气瓶铺层设计方法。根据设计结果,基于ANSYSACP软件建立了工作压力70MPa的塑料内胆复合材料气瓶有限元模型,分析了气瓶复合材料层在公称工作压力和最小爆破压力下的受力情况。以三维Hashin失效准则作为复合材料失效判据,采用Camanho提出的单元刚度退化方案,对复合材料气瓶进行渐进失效分析,从而预测了气瓶最终爆破压力和爆破位置。进行了气瓶水压爆破实验,实验结果表明:气瓶在未爆破的情况下已能承载158.75MPa的压力,验证了该铺层方法能够满足静强度要求;实验结果未能验证渐进失效分析预测的爆破压力165.71MPa和爆破失效位置。研究成果可为70MPa车载塑料内胆复合材料气瓶的研发提供依据。

关键词：复合材料 ⅳ型储氢瓶厚度预测数值模拟渐进损伤

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Ⅳ型储氢气瓶塑料内胆的失效形式与机理

塑料 2023年第1期52卷 133-138页

作者：姚嘉平王建张谦谢鹏程北京化工大学机电工程学院北京100029 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

随着氢燃料电池汽车的发展,氢气的存储和运输的要求更高。塑料内胆复合材料气瓶(Ⅳ型储氢气瓶)具有更高的承载压力、更轻的重量、更大的储运量等特点,并且成本较低。随着国内标准的不断完善和国产化的推进,Ⅳ型储氢气瓶逐渐得到应用。... 详细信息

随着氢燃料电池汽车的发展,氢气的存储和运输的要求更高。塑料内胆复合材料气瓶(Ⅳ型储氢气瓶)具有更高的承载压力、更轻的重量、更大的储运量等特点,并且成本较低。随着国内标准的不断完善和国产化的推进,Ⅳ型储氢气瓶逐渐得到应用。与金属材料相比,塑料内胆对氢气的化学惰性较高,但是,塑料和金属的微观结构存在差异,导致在氢环境下的失效形式也存在差异。ⅳ型储氢瓶塑料内胆的主要失效形式为内胆起泡、鼓包塌陷、疲劳损伤和温度超标,文章综述了这4种塑料内胆失效的相关实验和模拟研究进展,并且对影响塑料内胆失效的工作参数、环境参数和材料性能进行了总结。

关键词： ⅳ型储氢瓶塑料内胆失效形式失效机理影响参数