氫氣正作為未來具有廣闊前景的能源介質(zhì)在多個行業(yè)中嶄露頭角。在移動應用中，氫氣通常以氣態(tài)形式儲存在高壓復合材料纏繞壓力容器（COPVs）中。目前最先進的壓力容器技術(shù)被稱為V型，這種技術(shù)取消了在IV型容器中使用的聚合物內(nèi)襯屏障，轉(zhuǎn)而依靠碳纖維層提供結(jié)構(gòu)強度并防止氣體泄漏。在高壓條件下實現(xiàn)這一功能存在許多工程挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)至今仍阻礙了其商業(yè)化應用。此外，傳統(tǒng)的COPVs制造工藝——纖維纏繞技術(shù)，也存在一些限制設計空間的約束條件。自動化纖維鋪放（AFP）是一種高度靈活的機器人復合材料制造技術(shù)，具有取代纖維纏繞技術(shù)用于復合材料壓力容器制造的潛力。此外，一種新型的V型CPV設計概念也適用于通過AFP技術(shù)生產(chǎn)的兩件式容器。

1 .介紹

為實現(xiàn)政府間氣候變化專門委員會防止全球變暖超過工業(yè)化前水平1.5°C的目標，全球正采取措施減少碳排放。氫氣作為能源載體被視為實現(xiàn)這一目標的重要途徑。然而，氫氣的儲存在重量和體積方面存在挑戰(zhàn)，尤其是在航空航天和汽車領(lǐng)域。目前主要以氣態(tài)形式儲存氫氣，需在極高壓力（350-700 bar）下實現(xiàn)。常見方法是在碳纖維復合材料壓力容器中儲存，這些容器比鋼制容器輕四倍以上。

目前工業(yè)上常用的壓力容器可分為五種類型，如下圖所示。其中，I型容器結(jié)構(gòu)最為簡單，是當今使用最廣泛的類型。II、III和IV型容器被統(tǒng)稱為復合材料包裹壓力容器（COPV），這類容器通常采用碳纖維來承受部分或全部的結(jié)構(gòu)載荷，并使用金屬或塑料襯里來容納氣體。由于IV型容器具有最輕的重量和最高的存儲密度，廣泛應用于地面運輸領(lǐng)域。著名的氫燃料電池電動汽車，如豐田Mirai和本田Clarity，均采用了工作壓力為700 bar的IV型容器。

圓柱形IV型壓力容器的結(jié)構(gòu)如上圖所示，其塑料內(nèi)襯通常由高密度聚乙烯（HDPE）或聚酰胺（PA）制成，用于防止氣體泄漏。容器兩端設有極開口，并配有極凸臺，凸臺用于填充和排空容器，通常還包括傳感器通道。I至III型容器的凸臺通常與內(nèi)襯集成在一起，而在IV型和V型容器中，凸臺則是單獨的金屬或復合部件。由于IV型容器在許多行業(yè)中應用廣泛，成為了深入研究的重點。然而，最新的復合材料壓力容器技術(shù)為V型容器，即無襯里容器。V型容器沒有內(nèi)襯，因此復合材料不僅作為承載結(jié)構(gòu)，也同時作為氣體屏障。由于無襯里設計消除了襯里與復合材料之間的應變相容性問題，從而提升了疲勞性能，并可能實現(xiàn)10-20%的重量減輕。

傳統(tǒng)上，COPV/CPV使用長絲纏繞（FW）技術(shù)制造，該技術(shù)通過將張緊的纖維帶纏繞在旋轉(zhuǎn)的心軸上實現(xiàn)。盡管該技術(shù)功能強大且成熟，但仍存在一些固有的局限性。通過采用更先進的制造方法，如自動纖維鋪放（AFP），可以進一步優(yōu)化COPV/CPV的設計。AFP作為傳統(tǒng)纖維纏繞技術(shù)的演變，提供了更高的精度、更高的質(zhì)量和更低的材料損耗。V型容器設計與AFP技術(shù)的結(jié)合有望大幅提高氫氣的重量和體積密度。然而，在成為IV型儲罐的可靠替代品之前，商業(yè)化應用仍面臨一些工程挑戰(zhàn)。

1.1 V型壓力容器的現(xiàn)有研究

早在20世紀80年代，航空航天行業(yè)就開始對V型壓力容器進行研究。雖然許多研究團體已開發(fā)出用于商業(yè)應用或工業(yè)研究的V型儲罐，但目前可供嚴格審查的同行評審文獻仍然非常有限。以下是幾項有關(guān)V型CPV設計和制造的研究工作。

馬利克等人生產(chǎn)了多種不同尺寸的V型測試容器，并評估了它們的氦氣滲透性和機械性能。與同等的I型儲罐相比，某一設計的存儲容量增加了15%，而質(zhì)量減少了25%。另一種設計在檢測到氦氣泄漏前實現(xiàn)了558.5 bar的壓力，并在620.5 bar的爆破壓力下接近汽車行業(yè)的標準工作壓力700 bar。瓊斯等人也設計并制造了全尺寸演示罐，通過了41.4 bar的驗證測試，并在27.6 bar壓力下進行了2000次循環(huán)測試。森本等人準備了由富士重工有限公司采用準各向同性疊層模式制造的兩個無內(nèi)襯壓力容器，并在液氮溫度下加壓至11 bar，進行了氦氣泄漏測試。通過應變計和聲發(fā)射測試評估容器的損壞情況，結(jié)果顯示在低溫下或低溫處理后未檢測到損壞或泄漏。

拉菲等人研究了有襯里和無襯里儲罐的爆破壓力預測，考慮了制造過程中存在的隨機效應。研究發(fā)現(xiàn)，無襯里儲罐的第一層失效和最終爆裂均發(fā)生在較低壓力下，且Hashin和Hoffman失效標準能夠準確預測無襯里儲罐的第一層失效。

2. 使用纖維纏繞的傳統(tǒng)制造

除了少量用于空間應用的燃料罐外，大多數(shù)壓力容器都是通過纖維纏繞工藝制造的。該工藝自20世紀40年代以來便被廣泛使用，盡管其以高精度、自動化程度高和成本低而著稱，但它存在若干缺點，可能限制其靈活性和優(yōu)化的潛力。

自動纖維鋪放（AFP）和自動帶鋪（ATL）是復合材料制造領(lǐng)域中最先進且廣泛應用的自動化制造技術(shù)。ATL在較簡單的表面上以高速鋪放寬帶（通常為75–300毫米），因此適用于飛機機翼蒙皮等大型開放模具。然而，由于寬帶容易在復雜曲面或內(nèi)部幾何形狀上產(chǎn)生褶皺，ATL在這些應用中表現(xiàn)較差。

為克服這些局限性，AFP于20世紀80年代開始開發(fā)。AFP使用比ATL更窄的纖維束（通常為3.175–12.7毫米），結(jié)合了纖維纏繞和ATL的元素，能夠在曲面上進行鋪放，并使纖維在多方向上排列。然而，這種靈活性往往以降低鋪層速度為代價。與纖維纏繞和ATL相比，AFP工藝的一大優(yōu)勢是其能夠進行纖維束引導。纖維束引導指的是將纖維放置在非測地軌跡上，以實現(xiàn)對表面的全面覆蓋，并實現(xiàn)優(yōu)化和可變剛度。在AFP過程中（見示意圖），進料纖維束從一組紗軸輸送至壓實輥。纖維束通過火炬或其他熱源加熱，并由壓實輥壓緊以促進與現(xiàn)有層的粘附。在每一組纖維束（稱為一“路”）的末端，通過刀具將帶材切斷，隨后工藝可以重新開始。大多數(shù)AFP機器人能夠同時鋪放多條纖維束。多位學者近期對AFP工藝、其特性和缺陷、前景及局限性進行了全面的綜述。

3.1. 在壓力容器中的應用

目前，AFP在壓力容器中的應用較為有限，且為了保護知識產(chǎn)權(quán)，許多文獻中的細節(jié)被省略。美國能源部（DoE）氫能計劃對部分使用AFP制造的IV型壓力容器進行了研究。該方法利用AFP制造容器的端部穹頂，然后將其放置在模具上，并通過纖維纏繞進行外包覆，從而完成整個容器的制造。該項目旨在利用AFP的切割與添加功能，對穹頂區(qū)域進行選擇性加固，而不會在圓柱部分增加多余材料，這在纖維纏繞過程中是無法避免的，因為纖維帶必須穿過圓柱部分以從一個穹頂移動到另一個穹頂。在為期六年的項目中，制造了許多原型容器，并進行了研究，以評估在大規(guī)模生產(chǎn)（每年50萬個單位）條件下混合AFP/FW罐的優(yōu)勢。其中一種設計相較于完全纖維纏繞的基線罐實現(xiàn)了32%的重量減輕。

NASA與波音公司合作開展了復合材料低溫罐技術(shù)與演示（CCTD）項目。項目中制造了兩種直徑分別為2.4米和5.5米的樣品容器。兩種容器均由碳纖維/環(huán)氧樹脂材料制成，使用AFP工藝制造，其中較大的5.5米罐的制造過程如圖4所示。使用了3.125毫米（1/8英寸）和6.35毫米（1/4英寸）纖維束的組合，其中較薄的纖維束用于曲面的穹頂區(qū)域。與傳統(tǒng)的鋁鋰罐相比，重量和成本分別減少了25%和30%。這些罐在9.3巴的低溫液氫條件下成功完成了壓力循環(huán)，并通過了包括聲發(fā)射檢測和氦泄漏測試在內(nèi)的多種測試。該項目的詳細內(nèi)容可參見McCarville等人的書籍章節(jié)。

激光輔助帶材鋪放（LATP）技術(shù)在使用熱塑性復合材料的COPVs/CPVs中的應用研究較少。Schakel等人對該主題進行了最詳細的研究，相關(guān)內(nèi)容在第3.3節(jié)（AFP在壓力容器應用中的挑戰(zhàn)）和第5.1節(jié)（壓力容器制造中使用的材料）中進行了討論。Schakel等人使用纖維纏繞軟件Composicad設計了他們的罐體，因此設計并未充分利用帶材鋪放技術(shù)的切割和重新啟動功能，這些功能可以通過專用的AFP編程軟件實現(xiàn)。現(xiàn)有的大多數(shù)AFP在壓力容器中的應用集中于大于汽車應用的罐體，這些罐體的規(guī)模使得所需的纖維纏繞設備可能不切實際或無法滿足設計要求。特別是，大型罐體已被研究用于運載火箭或類似載具中的低溫空間燃料（如液氧和液氫）的運輸。

Doyle等人提出了使用熱塑性CF/PEEK材料制造的低溫燃料罐的設計。罐體的圓柱區(qū)域采用ATL工藝制造，穹頂部分則通過手工鋪層完成。雖然提供的技術(shù)細節(jié)有限，但制造了樣品平板以評估空隙含量和基本強度特性。為了連接穹頂與圓柱部分，他們提出了一種無定形中間層粘接技術(shù)。該技術(shù)在粘接界面使用聚醚酰亞胺薄膜，當部件在受熱條件下被壓在一起時，薄膜熔化形成結(jié)構(gòu)性粘接。

3.2. AFP在壓力容器中的潛在優(yōu)勢

3.2.1. 可變角度纖維束與纖維引導

AFP能夠?qū)崿F(xiàn)非測地路徑和引導路徑的鋪放，使纖維鋪層的優(yōu)化程度高于纖維纏繞（FW）。這一能力被稱為可變角度纖維束（VAT）。Rouhi等人的研究[65]很好地展示了VAT的優(yōu)勢。他們制造了一個圓柱體，其中50%的鋪層使用VAT（50%使用恒定角度），結(jié)果表明與準各向同性鋪層相比，其彎曲誘導的屈曲載荷增加了28%，而實驗結(jié)果顯示改進了18.5%。

VAT還被應用于壓力容器設計中，以消除容器壁內(nèi)的彎曲應力，這種應力通常發(fā)生在穹頂與圓柱的接口處。Daghighi等人展示了使用旋轉(zhuǎn)超橢球形狀制造無彎曲復合材料壓力容器的可能性。該設計通過使用低剖面橢圓穹頂，實現(xiàn)了復合材料的均勻厚度應力分布，并減少了外部尺寸。研究中還識別出多個幾何和材料引起的限制，這些限制約束了可能的超橢球形狀。同一作者還進一步研究了熱機械載荷以及使用復合材料失效準則計算無彎曲設計的允許內(nèi)部壓力。

Fan等人也推導了無彎曲應力橢圓頭的控制方程。與Daghighi等人考慮的橢球不同，他們對具有五種不同縱橫比的橢圓頭和一個圓柱形中心部分的容器進行了數(shù)值模擬。模擬驗證了彎曲應力的抑制效果，并發(fā)現(xiàn)與各向同性材料穹頂和恒定纖維角度穹頂相比，穹頂-圓柱接口處的應力分別減少了13.7%和34.9%。作者還指出，圓柱和穹頂?shù)睦硐肜w維角度不同，這導致了角度兼容性問題，如下圖所示。此問題在模擬中未被糾正，這將在制造過程中面臨從這些區(qū)域之間平滑過渡的挑戰(zhàn)。

盡管無彎曲壓力容器的研究可能對未來設計產(chǎn)生影響，但尚未進行實驗驗證。無彎曲設計也未考慮在容器至少一端安裝極性接頭的需求，這將打破所需的纖維圖案。此外，為實現(xiàn)所需纖維角度所需的引導半徑可能會超出當前AFP設備的引導能力。如圖5所示，在穹頂中心處需要非常緊的引導半徑。一個潛在的解決方案是“連續(xù)纖維束剪切”（CTS）。Kim等人707070使用定制的纖維鋪放頭，利用纖維內(nèi)部的剪切特性，實現(xiàn)了最小30毫米的引導半徑，這大大改進了傳統(tǒng)約500毫米的最小半徑。然而，該技術(shù)仍處于起步階段，研究中達到的鋪放速度較低，僅為3毫米/秒。

3.2.2. 選擇性加固

選擇性加固是使用AFP構(gòu)建壓力容器的另一大優(yōu)勢，因為它可以直接解決第2節(jié)中列出的第二個不足之處。除了之前討論的美國能源部氫能計劃的研究外，目前文獻中尚無量化AFP所能實現(xiàn)的具體改進的研究。然而，局部加固使用補強片的研究提供了潛在改進的良好指示。

例如，Roh等人通過有限元分析優(yōu)化了一種在穹頂區(qū)域使用補強片進行選擇性加固的IV型容器。該補強片如圖6所示，由碳纖維“條”組成，放置在穹頂?shù)穆菪龑又g，纖維方向接近90°，提供環(huán)向加固并允許減少螺旋層的厚度。作者報告稱，這種設計在理論上可減少近10%的復合材料使用量。Kartav等人設計并制造了一種使用補強片層進行穹頂加固的III型壓力容器。添加補強片層被發(fā)現(xiàn)可使爆破壓力增加29%，并將失效位置從穹頂移動到圓柱區(qū)域，這被認為更加安全。

3.3. AFP在壓力容器應用中的挑戰(zhàn)

3.3.1. 缺陷控制

與纖維纏繞相比，AFP技術(shù)還不夠成熟，且在較少的商業(yè)產(chǎn)品中使用。AFP部件的質(zhì)量高度依賴于大量變量[13]。例如，壓實輥的尺寸必須與部件的曲率相匹配，以確保纖維束的良好壓實。如果匹配不正確，切割操作的精度可能會降低，并可能出現(xiàn)纖維束滑移或橋接等缺陷。Oromiehie等人和Belnoue等人對AFP缺陷及其產(chǎn)生和對性能的影響進行了廣泛的綜述。下圖展示了四種最常見的缺陷類型。纖維束之間的間隙和重疊是最常遇到的缺陷之一，會導致缺陷區(qū)域的厚度不均勻。Croft等人發(fā)現(xiàn)，間隙會在拉伸、壓縮和開孔拉伸測試中導致強度降低。相反，重疊則在這些測試中增加了強度。Woigk等人進行了類似的研究，使用手工鋪層模擬了AFP缺陷。作者發(fā)現(xiàn)，單獨存在的間隙或重疊對拉伸或壓縮強度沒有顯著影響，但當二者結(jié)合時，會產(chǎn)生負面影響。

另一個需要研究的重要缺陷是AFP層壓板的孔隙率，這在上圖中未顯示。Oromiehie等人使用顯微鏡和中子斷層掃描研究了AFP制造的層壓板的孔隙率。研究表明，增加的孔隙率會降低層間剪切強度。AFP的加工參數(shù)也會影響孔隙率，尤其是壓實力和溫度對孔隙率具有顯著且非線性的影響。

3.3.2. 物理限制

AFP工藝中的物理限制也是壓力容器制造面臨的挑戰(zhàn)。當前AFP頭部較大，如果考慮不周，可能會與部件或工具發(fā)生碰撞。在航天應用的火箭級罐體中，這個問題不太嚴重，因為隨著罐體直徑的增加，AFP頭部與部件和工具之間的尺寸差也增加，為頭部的移動提供了相對更多的空間。較小的罐體由于較低半徑的端穹頂，需要更快速的頭部移動，這對機器人的控制器來說可能是個問題。對于小型罐體，即汽車應用方面，Schakel等人（前述第3.1節(jié)討論）是唯一克服這一挑戰(zhàn)的研究。作者使用Fraunhofer的“多材料頭”與激光輔助帶材鋪放（LATP）設備，生產(chǎn)了多個直徑為304毫米、帶PA6襯里的GF/PA6樣品罐。如圖8所示，壓實輥具有較大的直徑并為懸臂式設計，使得帶材可以非常接近頭架處鋪放，如同在纖維纏繞中進行的那樣，而不會發(fā)生碰撞。這些特性與圖8右側(cè)所示的常規(guī)現(xiàn)成的熱固性鋪放頭顯著不同，后者在輥兩側(cè)都具有支撐。需要注意的是，LATP頭部鋪放的是單條12毫米寬的帶材，而熱固性頭部鋪放的是4條6.35毫米寬的帶材。從圖8的外觀檢查來看，熱固性頭部無法如多材料頭那樣無碰撞地與頭架切線鋪放材料，這為使用大多數(shù)商業(yè)可用AFP硬件的制造帶來了挑戰(zhàn)。在不改造鋪放頭的情況下，這一挑戰(zhàn)或許可以通過創(chuàng)新用于固定容器的工具和支撐結(jié)構(gòu)來解決。

Qu等人提出了一種模擬方法，用于評估AFP頭對鋪放表面的可達性。該方法考慮了壓實輥訪問部件表面的位置空間能力以及將壓實輥垂直于表面的能力（高度空間）。針對特定的AFP設備，評估了可能的位置和高度空間，并用于驗證樣本工具表面的可達性。

在某些情況下，復雜的幾何形狀可能無法使用現(xiàn)有的AFP設備進行制造。Hély等人對復雜的Y形管道進行了AFP鋪層模擬，如下圖所示。研究發(fā)現(xiàn)，由于所需的高曲率纖維路徑會導致纖維束屈曲，用傳統(tǒng)AFP設備覆蓋該幾何形狀非常困難。作者指出，CTS可能有能力克服這一問題。此外，由于機器人關(guān)節(jié)運動范圍的限制，有許多區(qū)域無法實現(xiàn)覆蓋。作者還假設鋪放頭足夠小以避免碰撞，這在實際制造場景中并不成立。即使克服了碰撞困難，復雜的穹頂曲率和三維頭部運動也會限制鋪放速度。雖然在簡單幾何形狀上AFP鋪放速率可達150公斤/小時，但隨著復雜性的增加，可能需要降低鋪放速度，或使用較短的鋪層路徑或較窄的纖維束。纖維纏繞受此現(xiàn)象影響較小，因此在考慮AFP和FW的制造時間差異時，應將其與其他優(yōu)缺點一起考慮。

這些制造挑戰(zhàn)可以通過對AFP工藝的深刻理解和數(shù)字孿生技術(shù)來解決。數(shù)字孿生將物理過程與基于計算機的模擬相結(jié)合，以實現(xiàn)智能制造和復雜的過程控制。Zambal等人構(gòu)建了干纖維AFP工藝的數(shù)字孿生。實時數(shù)據(jù)被收集用于檢測缺陷和其他相關(guān)信息。該模型能夠在缺陷出現(xiàn)時，通過有限元分析計算其影響。同一作者還提出了一種基于人工智能的圖像缺陷檢測概率模型，用于AFP工藝。Sun等人對AFP制造中使用的各種在線缺陷檢測技術(shù)進行了綜述。

IV型壓力容器技術(shù)已經(jīng)成熟，并在商業(yè)應用中廣泛使用。然而，V型壓力容器目前處于較低的技術(shù)成熟度階段，這從現(xiàn)有文獻的缺乏中可以看出。在大規(guī)模采用之前，亟需克服制造方面的挑戰(zhàn)。

無論是纖維纏繞工藝還是AFP工藝，都必須使用心軸來纏繞纖維。在II-IV型罐中，內(nèi)部襯里作為心軸使用，并在纏繞完成后留在容器內(nèi)部。對于V型罐，心軸必須被移除以實現(xiàn)無襯里設計。傳統(tǒng)的方法是使用可溶解心軸，可以通過水從罐中去除。沙子、石膏和聚乙烯醇（PVA）都曾被用于這一目的。Jones等人指出，由于材料兼容性的限制以及根據(jù)極性開口的大小，溶解心軸的移除可能存在困難，因此這些心軸并不總是可行。作者采用了兩件式復合材料殼體作為心軸。這種心軸通過在實心工具上進行纖維纏繞并將部件切割為兩半來移除工具，然后再將兩半重新粘合在一起。生產(chǎn)由兩半組成的復合材料心軸的好處包括更容易安裝罐內(nèi)部件以及便于檢查。

CCTD項目（前述第3.1節(jié)“在壓力容器中的應用”中討論）也使用了實心工具。替代可溶解心軸，項目中構(gòu)建了分段工具（下圖）。2.4米直徑的演示罐使用了24個實心復合材料段，沿赤道分裂并組合在一起形成完整的心軸。連接面和關(guān)鍵幾何形狀被精密加工并通過協(xié)調(diào)特征進行索引，以確保準確的組裝。在AFP鋪層后，為了移除工具，段件從罐內(nèi)解開并通過極性開口提取。2.4米罐的開口直徑為457毫米，允許工作人員進入罐內(nèi)移除段件。此方法適合大罐，但尚未在較小規(guī)模的罐（如汽車應用的罐）上進行驗證。

5. 材料及材料增強

5.1. 壓力容器制造中使用的材料

5.1.1. 纖維

復合材料壓力容器通常采用碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維，或它們的混合物進行加固。然而，大多數(shù)復合材料壓力容器使用碳纖維進行加固，因為其具有較高的強度和剛度特性。在COPV/CPV制造中，幾乎完全使用單向纖維，因為它與纖維纏繞（FW）和自動纖維鋪放（AFP）制造兼容，并在纖維方向上提供最高的強度。在某些情況下，也使用了織物材料，但通常是在重量要求不高的容器中，因為相較于單向纖維束，其強度較低。

選擇纖維時，一個重要的考慮因素是尺寸效應。Hwang等人研究了纖維強度對容器性能的尺寸效應。由于機械性能與材料中的缺陷密切相關(guān)，隨著組件尺寸的增加，強度會有所下降。在從纖維束測試到纖維纏繞壓力容器的規(guī)模擴大過程中，預測并通過實驗驗證了纖維強度減少了16-32%，這強調(diào)了在進行試樣測試時理解尺寸效應的重要性。Hwang等人還開發(fā)了環(huán)爆試驗。該測試通過模擬環(huán)向應力對代表壓力容器環(huán)向?qū)拥睦w維纏繞環(huán)施加載荷，直到失效。與傳統(tǒng)的拉伸測試相比，該方法能夠捕捉到纖維纏繞工藝參數(shù)，且在5%的顯著性水平內(nèi)，其失效應變結(jié)果與全尺寸容器相同。此外，Cohen等人展示了纖維體積含量（FVF）對纖維纏繞容器強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)向鋪層中FVF的增加會提高最終的失效應變，直接關(guān)系到失效壓力。

盡管傳統(tǒng)纖維仍然是最受歡迎的選擇，可持續(xù)和天然纖維也被用于復合材料壓力容器中。這些纖維已被應用于低壓天然氣存儲，最近也被研究用于高壓應用。Bouvier等人研究了IV型COPVs的替代纖維選擇。作者根據(jù)多個優(yōu)化參數(shù)（如機械性能、成本、可回收性）提出了不同的纖維選項。E-玻璃/T700S碳纖維混合物成本最低，而玄武巖/回收T700S和亞麻/回收T700S混合物在分別用于700巴和350巴容器時在減少溫室氣體排放方面具有潛力。值得注意的是，全T700S容器仍然是實現(xiàn)最大機械性能的明顯選擇。

5.1.2. 基體材料

現(xiàn)有的COPVs/CPVs設計大多使用熱固性基體，因為它們生產(chǎn)起來更容易且更可靠。對于表1中列出的使用熱固性材料并提供材料信息的研究，除兩項外，全部使用了環(huán)氧樹脂基體。Johnson等人使用了一種納米改性乙烯基酯樹脂系統(tǒng)，與環(huán)氧樹脂相比，由于其密度較低，表現(xiàn)出5-7%的重量減少。此外，Shao等人對環(huán)氧樹脂和乙烯基酯COPVs進行了比較，發(fā)現(xiàn)乙烯基酯容器的爆破壓力高出20%。作者還發(fā)現(xiàn)，乙烯基酯基體比環(huán)氧樹脂更不易發(fā)生層內(nèi)開裂。

基體材料對罐體的熱機械性能有顯著影響。尤其是在氫氣應用中，在快速填充過程中可能會發(fā)生較大的溫度變化，這會導致容器壁內(nèi)的熱機械應力。研究表明，復合材料在熱載荷下比機械載荷下更容易失效，僅需少量循環(huán)即可引發(fā)熱機械疲勞損傷。這種損傷即使在與室溫的微小變化下也會削弱強度和剛度。通過最小化罐體的體積與表面積比，可減少熱機械效應，這有利于小規(guī)模罐體。因此，在材料選擇過程中，應考慮罐體的尺寸和工作循環(huán)。

熱機械應力引起的退化對環(huán)氧基體尤為相關(guān)，因此也研究了熱塑性材料。熱塑性材料具有提高的斷裂韌性、可重復成型、可焊接、可修復、易回收和較短的制造時間等優(yōu)勢，這些特點對V型罐的應用具有吸引力。無論是AFP還是纖維纏繞，都可以與熱固性或熱塑性材料一起使用。Boon等人最近對原位固結(jié)（AFP和FW）熱塑性材料的應用進行了綜述。

Schakel等人設計并測試了一種使用激光輔助帶材纏繞（LATP）的熱塑性壓力容器。LATP工藝在制造過程中進行了特征化。研究發(fā)現(xiàn)，穹頂由于帶材進料速度的高波動性和激光基底面積的變化而在制造中帶來了挑戰(zhàn)。由于機器人臂的位置不同，導致頭架和尾架的每個穹頂受到的影響也不同，影響了進料速度。研究還發(fā)現(xiàn)進料速度與模擬值存在顯著差異。

Villalonga等人構(gòu)建了一種采用PA6襯里和樹脂系統(tǒng)的纖維纏繞700巴熱塑性容器。該容器進行了商業(yè)用途測試，但在已發(fā)表的文章中提供的詳細信息有限。H?ck等人設計并制造了兩種用于航空航天應用的LATP壓力容器。原型罐的直徑為1.3米，極性開口半徑為175毫米。作者沒有提供罐體工作壓力或設計儲存物質(zhì)的技術(shù)細節(jié)。O Brádaigh等人提出了用于空間應用的熱塑性燃料罐設計。制備了模制的PEEK襯里，并提取了部分樣本進行滲透測試。一些襯里樣本也通過LATP進行包覆，并進行低溫循環(huán)以測量裂紋增長。

在將熱塑性材料應用于AFP時，重要的考慮因素是溫度控制和分布。Zaami等人構(gòu)建了一個數(shù)值模型，用于模擬LATP工藝中熱塑性材料的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，罐體的規(guī)模和尺寸會影響溫度。隨著罐體半徑的增加，襯里溫度（對于IV型罐）降低，冷卻時間增加，這在大規(guī)模生產(chǎn)場景中應予以考慮。較大直徑的罐體在帶材和基底中的壓點溫度也較高。顯然，工藝參數(shù)應根據(jù)容器規(guī)模進行調(diào)整。

5.1.3. 固化

復合材料的固化周期會影響復合材料壓力容器的最終性能。對于V型復合壓力容器（CPVs）而言，固化周期對微裂紋的形成尤為重要。對于高溫固化，存在一個無應力溫度，通常接近固化溫度。部件溫度偏離該無應力溫度（例如在固化過程中冷卻時，或在特定溫度下操作時）會引起熱應力，從而導致微裂紋的形成，進而增加氣體滲透性。這些殘余應力存在是由于纖維和基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配。Timmerman等人研究了固化溫度對裂紋密度的影響。作者改變了在高壓釜中固化的碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板的固化溫度。將溫度從70°C提高到180°C導致裂紋密度從10裂紋/cm2增加到35裂紋/cm2，這是因為較高的固化溫度導致了更高的無應力溫度。

復合材料壓力容器有多種固化技術(shù)可供選擇。對于使用纖維纏繞（FW）和自動纖維鋪放（AFP）制成的熱固性材料，高壓釜和非高壓釜（OoA）加工仍然很受歡迎。在降低無應力溫度的背景下，OoA固化通?？梢栽诒雀邏焊袒偷臏囟认逻M行。OoA工藝是在沒有高壓釜外部壓力的情況下進行固化，通常僅使用普通烤箱和真空袋。OoA固化常用于無法放入高壓釜的大型罐體，這對處理火箭或飛機級別罐體的航空航天應用尤為重要。為此，CCTD項目采用了OoA工藝來固化兩個演示罐。

為了進一步降低固化溫度，可以使用樹脂浸漬或樹脂傳遞模塑工藝。在纖維纏繞中，濕法纏繞仍是最受歡迎且最具成本效益的技術(shù)。濕法纏繞涉及在纏繞到心軸上之前，先將干纖維通過樹脂浴。這需要一個標準的固化過程，通常涉及較高的溫度。然而，干法纏繞仍處于早期發(fā)展階段，消除了樹脂浴，取而代之的是加入了二次浸漬或模塑工藝。這些工藝可以在室溫下進行，為降低殘余應力引發(fā)的微裂紋提供了有趣的機會。干纖維鋪放也適用于AFP，目前也處于早期發(fā)展階段。Veldenz等人對干纖維AFP組件的材料選擇和制造進行了詳細研究。

結(jié)合文獻綜述中的研究結(jié)果，設計了一種用于AFP制造的V型復合壓力容器（CPV），該設計將作為未來實驗工作的基礎，并解決本次綜述中識別出的不足之處。新南威爾士大學悉尼分校的先進復合材料自動化制造ARC培訓中心配備了自動動力學AFP機器人，具備熱固性和熱塑性材料的鋪放能力以及協(xié)調(diào)的主軸軸，使得該中心在開發(fā)COPVs和CPVs方面具有優(yōu)勢。

此初始設計旨在解決本次綜述中識別的與V型罐相關(guān)的制造挑戰(zhàn)。該熱固性罐體由兩個半部分構(gòu)成，每個半部分分別在可折疊工具上制造并固化后再粘合在一起。此設計形成了一個無襯里的復合材料心軸，其上可包覆額外的連續(xù)層。將罐體分為兩半生產(chǎn)避免了使用可溶解的核心，并允許在大規(guī)模生產(chǎn)情境下同時制造每個半部分。獨特之處在于，該罐體僅在一端使用極性接頭，而另一端完全被包覆。這一特性提供了減重的優(yōu)勢，并且只能通過AFP實現(xiàn)，因為它需要纖維束的卸載和穿過穹頂中心的纖維路徑，這在纖維纏繞中難以實現(xiàn)。沿圓柱區(qū)域采用可變角度纖維束，以調(diào)整剛度。為分析和優(yōu)化罐體設計，開發(fā)了一種新型的有限元分析（FEA）過程，將AFP編程軟件CGTech VERICUT VCP[186]與ANSYS鏈接，用于AFP鋪層的半自動化分析。

將這一概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的下一步工作包括定制可折疊工具的設計和原型罐的制造測試。首先，將使用VERICUT VCP對容器兩半部分的纖維路徑進行編程。然后，將在可折疊工具上制造原型容器的兩個半部分，并按照圖13所示將其粘合，同時嵌入光纖傳感器進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。此步驟旨在驗證工具設計和AFP纖維路徑編程的有效性。將使用3D掃描技術(shù)將實際的部件幾何形狀和厚度與計算機模型進行比較。安裝極性接頭并完成容器粘合后，將進行靜水壓力測試，并使用嵌入的傳感器記錄應變數(shù)據(jù)，與有限元預測進行比較。完成初步工作后，將對容器進行包覆，纖維束將橫跨容器的兩個半部分，以增加加固和提高壓力容量。包覆的纖維路徑將采用引導纖維，以創(chuàng)建可變剛度的層壓板，這不僅是為了纖維的連續(xù)性，還充分展示了AFP相較于纖維纏繞的優(yōu)勢。最后，將進行關(guān)于滲透率降低、更高效和精確的模擬以及改進工具設計的研究，以推動項目進展。

本次綜述總結(jié)了當前IV型和V型復合材料壓力容器的發(fā)展進展，并討論了其發(fā)展過程中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，還討論了將AFP作為替代傳統(tǒng)纖維纏繞的制造工藝。纖維纏繞存在若干限制，降低了其靈活性，包括纖維需要連續(xù)、無法繞過凹面而不發(fā)生纖維橋接、以及由于摩擦限制而導致的非測地路徑能力極小。AFP可以通過其選擇性加固和可變角度纖維束（VAT）能力解決這些限制，有望進一步優(yōu)化復合材料壓力容器的設計。然而，目前AFP在壓力容器中的應用主要局限于用于航天應用的火箭級罐體。要解決AFP頭部較大物理尺寸對較小汽車和航空航天規(guī)模容器的干擾，還需進行進一步的研究。

V型壓力容器目前在制造工藝和降低氣體滲透性方面面臨挑戰(zhàn)。要生產(chǎn)無襯里的容器，必須移除內(nèi)部鋪層工具。水溶性芯材在這方面較為常見，但可能并不適用于所有設計且不可重復使用。實心的內(nèi)部可折疊工具已在大規(guī)模罐體上得到驗證，但尚未在較小的罐體上應用，這些罐體的極性開口尺寸較小且內(nèi)部訪問困難。其次，需要進一步了解和減少復合層壓板的氣體滲透。復合層壓板中的基體微裂紋對其氣體屏障性能有顯著影響。雖然主要通過薄層材料和納米改性來減少滲透的機制已在樣本級別上得到驗證，但仍需進行系統(tǒng)級別的評估。此外，AFP對滲透性的影響尚未得到廣泛研究。

對COPV/CPV制造的商業(yè)標準進行了審查，突出顯示了AFP生產(chǎn)和V型容器的標準覆蓋缺口。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，標準應不斷更新以保持與最新技術(shù)水平的相關(guān)性。引入V型技術(shù)和AFP制造對成本的影響也需要進一步研究，但在原型環(huán)境中，AFP相比纖維纏繞因減少材料使用而節(jié)約成本的效果已得到驗證。最后，介紹了一種用于AFP生產(chǎn)的V型壓力容器的新型設計。未來的工作將包括該概念的詳細設計、材料級測試和AFP制造的原型，以應對現(xiàn)有的技術(shù)挑戰(zhàn)。