到2050年實(shí)現(xiàn)零排放的全球目標(biāo)，正在推動(dòng)著復(fù)合材料壓力容器的快速增長(zhǎng)。

復(fù)合材料的壓力容器

高壓氣體儲(chǔ)存容器是先進(jìn)復(fù)合材料尤其是纖維纏繞碳纖維復(fù)合材料的最大且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一。雖然它們可被用于自給式呼吸裝置以及為航空航天器提供氧氣和氣體儲(chǔ)存，但主要的終端市場(chǎng)卻是對(duì)液化丙烷氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）以及氫氣（H2）的儲(chǔ)存。雖然LPG氣罐可用于汽車，但發(fā)展中國(guó)家的烹飪和取暖市場(chǎng)對(duì)它的需求也在不斷增長(zhǎng)。

壓縮天然氣（CNG）、可再生天然氣（RNG）和氫氣（H2）等燃料系統(tǒng)已越來越多地被用于轎車、公共汽車、貨車和其他車輛中，或者也用于被稱作“移動(dòng)管道”的補(bǔ)給加氣站或工業(yè)場(chǎng)所的大宗運(yùn)輸中。在車輛應(yīng)用中，這些燃料儲(chǔ)罐是實(shí)現(xiàn)減排或取代汽油、柴油和噴射燃料的清潔零排放動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。這些動(dòng)力系統(tǒng)還為電池驅(qū)動(dòng)的汽車提供一種免充電選項(xiàng)，所需的加氣基礎(chǔ)設(shè)施和加氣時(shí)間與添加石化燃料類似。

何謂V型壓力容器？

截止目前，設(shè)計(jì)用于高壓下儲(chǔ)存液體和氣體的壓力容器和儲(chǔ)罐的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)不同的階段：全金屬儲(chǔ)罐（I型）、復(fù)合材料纏繞金屬儲(chǔ)罐（II型）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）纏繞金屬內(nèi)膽儲(chǔ)罐（III型）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）纏繞塑料內(nèi)膽儲(chǔ)罐（IV型）。而壓力容器的第五個(gè)階段——全復(fù)合材料的無內(nèi)膽儲(chǔ)罐（V型），是指不含任何內(nèi)膽、完全采用復(fù)合材料加工而成的壓力容器，長(zhǎng)期以來V型壓力容器一直被認(rèn)為是壓力容器行業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)。

國(guó)外全碳纖維復(fù)合材料V型壓力容器的關(guān)鍵技術(shù)

1、CTD公司研發(fā)出V型高壓儲(chǔ)氣瓶

2020年年初，位于美國(guó)科羅拉多州拉斐特的復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)公司（Composites Technology Development Inc，CTD）與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、德克薩斯大學(xué)合作，成功地設(shè)計(jì)、測(cè)試并制造了第一臺(tái)商用、全CFRP無襯里的壓力容器，并將其安裝在FASTRAC 1衛(wèi)星上，1.9L儲(chǔ)罐的直徑約為6英寸（152毫米），直徑為7至8英寸（長(zhǎng)度為178至203毫米），重量?jī)H為0.44磅（0.2千克）。

復(fù)合材料中的碳纖維采用了美國(guó)東麗復(fù)合材料公司（Toray Composite Materials America，Inc.）提供的T700級(jí)碳纖維進(jìn)行細(xì)絲纏繞，并采用CTD專有的KIBOKO增韌環(huán)氧樹脂潤(rùn)濕。它的工作壓力為200 psi，極限壓力為1,000 psi，破裂壓力為2,000至2500 psi。該罐用于存儲(chǔ)氬氣，作為衛(wèi)星微放電等離子推進(jìn)器的組成部分。與傳統(tǒng)的IV型瓶相比，CTD公司的全CFRP無里襯儲(chǔ)氣瓶重量將輕15％至20％，這對(duì)于航空航天工業(yè)中具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撔袠I(yè)對(duì)有效載荷重量極其敏感。但是，輕量化并非V型壓力容器的唯一優(yōu)勢(shì)，CTD公司研究表明，V型壓力容器全面投入生產(chǎn)后，其制造成本將降低，最明顯的原因是它消除了內(nèi)襯材料和襯套制造成本。

CTD公司對(duì)V型壓力容器大批量應(yīng)用的期望在于三個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新：材料、設(shè)計(jì)和工具。使用單一材料制造儲(chǔ)罐意味著需要開發(fā)一種層壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以在壓力下提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且至關(guān)重要的是還要形成阻隔層，防止氣體、燃料和其他物質(zhì)的滲透。公司介紹說其KIBOKO增韌樹脂系列（主要基于環(huán)氧樹脂）是CTD成功開發(fā)出V型壓力容器的關(guān)鍵。

2、ICT公司研發(fā)出V型高壓低溫儲(chǔ)罐

2020年4月，位于美國(guó)俄克拉荷馬州塔爾薩市的Infinite Composites Technologies（ICT）公司宣布，其成功研制出球形、無襯里、全復(fù)合材料低溫冷凍儲(chǔ)罐，該儲(chǔ)罐主要是一種用于將低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)存在火箭動(dòng)力運(yùn)載火箭上的壓力容器。用于太空旅行的運(yùn)載火箭需要儲(chǔ)存大量燃料，典型的火箭推進(jìn)劑（如氧氣、氫氣和氮?dú)猓┛梢栽谑覝叵乱詺怏w形式存儲(chǔ)，但是由于氣體的密度相對(duì)較低，因此為太空發(fā)射而存儲(chǔ)足夠的氣體推進(jìn)劑將需要非常大的儲(chǔ)罐，這增加了航天器的重量并限制了飛行器的重量。但是在理想情況下，這些推進(jìn)劑可以更高密度的液體形式存儲(chǔ)，從而可以使用較小的容器來存儲(chǔ)它們，但是許多常見的推進(jìn)劑必須冷卻至超冷溫度，通常指溫度低于-150°C時(shí)會(huì)以液體形式存在。

用于低溫燃料如液氮、液氧儲(chǔ)存的全復(fù)合材料設(shè)計(jì)往往會(huì)引起層壓板中微裂紋等難題。當(dāng)復(fù)合材料層壓板面臨極端溫度時(shí)，每層之間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致破裂和泄漏。許多樹脂系統(tǒng)在低溫下也會(huì)變脆，從而加劇了這一問題。ICT公司于2018年向美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）推出了低溫冷凍箱的概念，后來開始了一項(xiàng)快速開發(fā)項(xiàng)目——復(fù)合式低溫冷凍箱，用于月球著陸器演示飛行器。ICT公司將V型高壓冷凍儲(chǔ)罐研制的核心技術(shù)歸結(jié)為材料，ICT公司的CryoSphere儲(chǔ)罐采用了日本東麗公司T800碳纖維和環(huán)氧樹脂制成，并通過纏繞絲線制成，在室溫下固化，然后在ICT塔爾薩工廠的工業(yè)烘箱中進(jìn)行后固化。

為了解決微裂紋難題，ICT開始對(duì)經(jīng)過化學(xué)增韌的專有環(huán)氧樹脂基體中不同濃度的幾種類型添加劑進(jìn)行迭代測(cè)試。在此過程中，研究小組發(fā)現(xiàn)了兩種添加劑的組合，當(dāng)再次對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它們可以使設(shè)計(jì)滿足熱要求，其中之一添加劑是石墨烯。

在低溫下，樹脂會(huì)變脆并開始斷裂，隨著向纖維施加壓力，它們開始彼此滑動(dòng)并破壞它們之間的化學(xué)鍵。石墨烯薄片充當(dāng)纖維層之間的機(jī)械增強(qiáng)物，減少了移動(dòng)和斷裂的可能性。此外，基體還摻入了其他專有添加劑，使層壓板在低溫下更具延展性，并在層壓板中產(chǎn)生了更多的絕緣性能。ICT公司于2020年2月將其中5個(gè)CryoSphere儲(chǔ)罐交付給了NASA，最初計(jì)劃于2020年8月向ISS發(fā)射，但推遲到11月，預(yù)計(jì)在CryoSpheres運(yùn)送到ISS后，將其放置在氣象站的外部，并對(duì)其進(jìn)行了大約六個(gè)月的研究，并安裝了輻射傳感器，在繞地球旋轉(zhuǎn)并直接暴露于太陽的情況下，測(cè)試材料在暴露于熱和輻射時(shí)的耐久性。

3、三大公司合力開發(fā)可回收碳纖維復(fù)材料壓力容器

2020年，美國(guó)SteelheadComposites公司聯(lián)合Vartega公司和Michelman公司合作開發(fā)出了全球首個(gè)采用回收的連續(xù)碳纖維束纏繞成型的復(fù)合材料壓力容器(COPV)。

SteelheadComposites公司僅采用Vartega公司提供的回收連續(xù)碳纖維絲束制作了一款I(lǐng)II型壓力氣瓶。所涉及的回收碳纖維采用Vartega公司的專有回收技術(shù)回收，并由Michelman公司進(jìn)行上漿處理。此次合作是全球首次采用常規(guī)復(fù)合材料成型工藝對(duì)廢棄的連續(xù)碳纖維預(yù)浸絲束進(jìn)行回收、再利用。與目前通常作為短切碳纖維、填料等次級(jí)產(chǎn)品使用的普通回收碳纖維相比，該技術(shù)為未來連續(xù)碳纖維束技術(shù)的開發(fā)樹立了榜樣，具有里程碑意義。

Vartega公司工程技術(shù)副總裁SeanKline稱：“該項(xiàng)目既是回收碳纖維在終端產(chǎn)品應(yīng)用中的典型示范，又是對(duì)企業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)合作模式的最佳詮釋。Michelman公司和Steelhead公司的技術(shù)實(shí)力不可估量，我公司對(duì)未來合作的進(jìn)一步深入和優(yōu)化激動(dòng)不已?！盫artega公司總裁AndrewMaxey表示：“該項(xiàng)目在短短幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)將壓力容器從概念變?yōu)閷?shí)體產(chǎn)品。我為團(tuán)隊(duì)中每一位辛勤工作的技術(shù)人員感到驕傲。我們將借此東風(fēng)，做強(qiáng)做大，并在不遠(yuǎn)的將來將該回收技術(shù)進(jìn)一步放大，來生產(chǎn)大型纏繞氣瓶產(chǎn)品?！?/span>

SteelheadComposites公司產(chǎn)品開發(fā)部專家JakeSchrader表示：“Vartega提供的回收碳纖維與Michelman的上漿劑匹配，工藝性能良好，如同預(yù)浸前的碳纖維用于傳統(tǒng)濕法纏繞工藝一樣，完全沒有磨損或開裂問題。簡(jiǎn)直跟剛從制造商手中獲得的嶄新碳纖維絲束一樣?！?/span>

來源：復(fù)合材料體驗(yàn)館