壓力容器作為一種關(guān)鍵的密封儲(chǔ)存與運(yùn)輸設(shè)備，其承載性能與耐壓性要求極為嚴(yán)苛。傳統(tǒng)上，金屬材料因其出色的強(qiáng)度和耐壓性能成為制造壓力容器的主要選擇。然而，在當(dāng)今科技發(fā)展的浪潮中，碳纖維在壓力容器領(lǐng)域的應(yīng)用正以前所未有的速度增長(zhǎng)，尤其是在高性能熱塑性碳纖維的推動(dòng)下，全球壓力容器市場(chǎng)有望攀登新的高峰。
據(jù)日本東麗公司預(yù)測(cè)，2022年至2025年間，全球碳纖維需求量將從12.83萬噸激增至20.37萬噸，其中以壓力容器領(lǐng)域的增長(zhǎng)率最為顯著，高達(dá)42%。至2025年后，隨著更高性能熱塑性碳纖維的加入，該市場(chǎng)將迎來更為迅猛的增長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)到2030年，全球壓力容器專用碳纖維的需求量將達(dá)到9萬噸。在III型和IV型壓力容器的關(guān)鍵應(yīng)用中，CFRP的使用密度約為每升0.2至0.35千克，而在汽車儲(chǔ)氫罐中的碳纖維用量則攀升至每升0.8至1.73千克。
未來幾年內(nèi)，碳纖維在壓力容器領(lǐng)域的應(yīng)用增長(zhǎng)率預(yù)期將遠(yuǎn)超航空航天、風(fēng)電等其他行業(yè)，極有可能在2030年前后成為全球碳纖維市場(chǎng)份額最大的細(xì)分領(lǐng)域。
面對(duì)這一巨大的市場(chǎng)需求，國際碳纖維巨頭東麗公司已計(jì)劃于2023年在美國和韓國增設(shè)兩條小絲束碳纖維生產(chǎn)線，并積極投入研發(fā)更高性能的熱塑性碳纖維，以鞏固其在全球市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。國內(nèi)方面，率先實(shí)現(xiàn)熱塑性碳纖維單向帶量產(chǎn)的智上新材，在成功推出連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料后，吸引了眾多壓力容器制造商尋求深度合作，通過將大寬幅碳纖維單向帶分切后用于壓力容器的制作，提供更優(yōu)化的解決方案。
聚焦具體應(yīng)用，儲(chǔ)氫瓶是碳纖維在壓力容器應(yīng)用中的典型代表，其中III型和IV型儲(chǔ)氫瓶大量采用碳纖維材料，主要應(yīng)用于汽車車載高壓儲(chǔ)氫罐。對(duì)于這些儲(chǔ)氫瓶而言，碳纖維用量隨容器內(nèi)部容量和填充壓力的增減而調(diào)整，凸顯出設(shè)計(jì)上的靈活性與技術(shù)挑戰(zhàn)。以豐田汽車第二代FCV(燃料電池汽車)“MIRAI”的高壓儲(chǔ)氫罐為例，其總?cè)萘繛?41升(三個(gè)儲(chǔ)罐合計(jì))，據(jù)此估算，每臺(tái)乘用車可能需使用約68～146千克的碳纖維。
隨著氫氣能源的進(jìn)一步開采利用，對(duì)壓力容器的需求也將持續(xù)提升，CNG/RNG(壓縮天然氣/可再生天然氣)儲(chǔ)罐將廣泛服務(wù)于各類送貨及大型運(yùn)輸車輛;CHG儲(chǔ)氫罐則將被應(yīng)用于燃料電池商用車、火車、船舶以及汽車等領(lǐng)域，未來氫氣存儲(chǔ)及應(yīng)用有望成為主流趨勢(shì)。這就要求碳纖維制品生產(chǎn)商不僅要有穩(wěn)定的產(chǎn)量供應(yīng)能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量和成本競(jìng)爭(zhēng)力，更要具備開發(fā)更高性能產(chǎn)品的科研實(shí)力。熱塑性碳纖維的出現(xiàn)，無疑使壓力容器性能再攀新高。
熱塑性碳纖維以其卓越性能助力壓力容器達(dá)到全新的技術(shù)水平。相較于傳統(tǒng)碳纖維，熱塑性碳纖維的壓力容器展現(xiàn)出以下優(yōu)勢(shì)：
1. 強(qiáng)度性能大幅提升，熱塑性碳纖維制造的壓力容器可以承受高達(dá)90MPa的壓力，比70MPa的傳統(tǒng)水平有顯著提高，這種高強(qiáng)度特性使其在航空航天等高端領(lǐng)域也得以廣泛應(yīng)用。
2. 出色的抗沖擊性能，由于熱塑性樹脂具有良好的延展性和韌性，采用此類材料制成的壓力容器在抗沖擊性方面表現(xiàn)出色，充分滿足了壓力容器的核心性能需求。
3. 生產(chǎn)效率顯著提高，面對(duì)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，熱塑性碳纖維憑借其固化的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，大大提升了生產(chǎn)效率，確保能夠及時(shí)滿足產(chǎn)品供應(yīng)。
4. 耐酸堿及化學(xué)品腐蝕性能優(yōu)異，熱塑性樹脂相比于熱固性樹脂在耐酸堿和化學(xué)藥品侵蝕方面更具優(yōu)勢(shì)，尤其適用于特殊化學(xué)品儲(chǔ)存的壓力容器。
5. 可回收與修復(fù)性，熱塑性碳纖維制品的一大亮點(diǎn)在于其熱塑性樹脂的特性——成型后仍可通過加熱重塑進(jìn)行回收利用，并能方便地對(duì)受損部分進(jìn)行加熱、修補(bǔ)處理，這是傳統(tǒng)的熱固性碳纖維所不具備的優(yōu)點(diǎn)。
總之，熱塑性碳纖維的應(yīng)用極大地推動(dòng)了壓力容器的高性能化進(jìn)程，使其在深海潛用設(shè)備、極端環(huán)境下的壓力容器等多個(gè)高端領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。作為國內(nèi)首批實(shí)現(xiàn)熱塑性碳纖維復(fù)合材料批量生產(chǎn)的智上新材表示，將持續(xù)致力于熱塑性碳纖維技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，充分挖掘并發(fā)揮該材料的潛力，有力驅(qū)動(dòng)全球碳纖維產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
