摘要
氫正在成為眾多行業(yè)中前景光明的未來能源媒介。對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用，它通常以氣態(tài)存儲(chǔ)在高壓復(fù)合材料包裹壓力容器 (COPV) 內(nèi)。當(dāng)前的壓力容器技術(shù)（稱為 V 型）消除了 IV 型容器中使用的內(nèi)部聚合物氣體屏障，而是依靠碳纖維層壓板來提供結(jié)構(gòu)性能并防止氣體泄漏。在高壓下實(shí)現(xiàn)這一功能帶來了一些工程挑戰(zhàn)，迄今為止這些挑戰(zhàn)阻礙了商業(yè)應(yīng)用。此外，COPV 的傳統(tǒng)制造工藝（纖維纏繞）存在多種限制，限制了設(shè)計(jì)空間。自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 是一種高度靈活的機(jī)器人復(fù)合材料制造技術(shù)，有潛力取代復(fù)合材料壓力容器制造中的纖維纏繞，并為進(jìn)一步優(yōu)化容器提供途徑。 AFP 和 V 型技術(shù)的結(jié)合可以為新一代高性能復(fù)合材料壓力容器提供途徑。這篇批判性評(píng)論介紹了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IV 型容器的關(guān)鍵工作以及 V 型 CPV 技術(shù)的現(xiàn)狀，包括制造開發(fā)、挑戰(zhàn)、成本、與商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性以及使用 AFP 的未來制造解決方案。此外，還提出了一種用于兩件式 AFP 生產(chǎn)容器的新型 V 型 CPV 設(shè)計(jì)概念。
關(guān)鍵詞
碳纖維，自動(dòng)化，纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器
1 .介紹
為了實(shí)現(xiàn)政府間氣候變化專門委員會(huì)防止全球變暖較工業(yè)化前水平超過 1.5°C 的目標(biāo)所需的脫碳水平，全球正在采取強(qiáng)有力的行動(dòng)來減少碳排放。氫作為能源載體已被認(rèn)為適合滿足這些氣候目標(biāo)[ 1 ]。使用氫氣的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是在重量關(guān)鍵的航空航天和汽車環(huán)境中，是以高體積和重量密度儲(chǔ)存氫氣。世界各地都在使用各種以固體、液體和氣體形式儲(chǔ)存氫氣的方法，每種方法對(duì)相關(guān)行業(yè)都有的好處。然而，以氣體形式儲(chǔ)存氫氣已成為全球氫氣儲(chǔ)存的主要形式[ 2 ]。盡管氫氣很受歡迎，但以氣體形式儲(chǔ)存氫氣仍具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗禽p的元素，必須保持在非常高的壓力（即 350-700 巴）下才能達(dá)到實(shí)際密度 [ 3 ]。滿足這些要求的儲(chǔ)存氫氣的常用方法是在碳纖維復(fù)合材料壓力容器內(nèi)儲(chǔ)存。碳纖維的高強(qiáng)度允許建造重量存儲(chǔ)密度是鋼容器四倍以上的輕型儲(chǔ)罐[ 4 ]。
目前工業(yè)上常用的壓力容器可分為五種類型[ 5 ]，如圖1所示。 I 型容器設(shè)計(jì)和制造簡單，構(gòu)成當(dāng)今使用的大多數(shù)容器。 II、III 和 IV 型容器被稱為復(fù)合材料包裹壓力容器 (COPV)，通常利用碳纖維來承受部分或全部結(jié)構(gòu)載荷，并使用金屬或塑料襯里來容納氣體。許多地面運(yùn)輸應(yīng)用都使用 IV 型容器，因?yàn)樗鼈冎亓枯p，存儲(chǔ)密度高。兩款的氫燃料電池電動(dòng)汽車豐田 Mirai 和本田 Clarity 均使用工作壓力為 700 bar 的 IV 型容器 [ 6 , 7 ]。
圖1 五種常見類型的壓力容器
圓柱形IV型容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。塑料內(nèi)襯通常為 HDPE 或 PA [ 9 ]，用于防止氣體泄漏。容器的末端設(shè)有開口，并配有凸臺(tái)。凸臺(tái)用于填充和排空容器，通常包括傳感器通道 [ 10 ]。 I – III 型容器上的凸臺(tái)通常與襯里集成在一起，但在 IV 型和 V 型容器中，它是單獨(dú)的金屬或復(fù)合部件。
由于 IV 型船舶目前與許多行業(yè)相關(guān)，因此成為深入研究的主題。然而，復(fù)合材料壓力容器技術(shù)的新技術(shù)被稱為 V 型。V 型或無襯里容器沒有內(nèi)襯，因此復(fù)合材料既充當(dāng)氣體屏障又充當(dāng)承載結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合材料沒有包裹在 V 型容器的內(nèi)襯上，因此它們可以稱為 CPV。無襯里消除了襯里和復(fù)合材料之間應(yīng)變相容性的需要，從而提高疲勞性能并有可能實(shí)現(xiàn) 10-20% 的重量減輕 [ 11 , 12 ]。 V 型儲(chǔ)罐可能的工作壓力尚未得到充分探索[ 4 ]。
傳統(tǒng)上，COPV/CPV 采用長絲纏繞 (FW) 技術(shù)制造，這是一種將張緊的纖維帶纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸上的技術(shù)。雖然這項(xiàng)技術(shù)功能強(qiáng)大且成熟，但它有一些固有的局限性。 COPV/CPV 的設(shè)計(jì)可以通過使用更的制造方法（主要是自動(dòng)纖維鋪放 (AFP)）來改進(jìn)。 AFP 是傳統(tǒng)纖維纏繞技術(shù)的演變，可提供高精度、高品質(zhì)以及低損耗 [ 13 ]。
V 型設(shè)計(jì)和 AFP 技術(shù)都具有提高氫氣重量和體積密度的巨大潛力。然而，在商業(yè)采用并提供 IV 型儲(chǔ)罐的可靠替代品之前，必須克服一些工程挑戰(zhàn)。盡管有研究需要，但公開文獻(xiàn)中還沒有涵蓋 V 型壓力容器或 AFP 相關(guān)應(yīng)用的綜述文章。本文對(duì) 2000 年至今發(fā)表的 IV 型和 V 型壓力容器的現(xiàn)有工作以及 V 型容器面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了批判性回顧。還介紹了纖維纏繞的制造限制，并討論了用 AFP 替代該工藝的挑戰(zhàn)和好處。后，提出了 AFP 生產(chǎn)的無襯里儲(chǔ)罐的新穎設(shè)計(jì)，這將構(gòu)成未來工作的基礎(chǔ)。
1.1 . IV 型壓力容器的現(xiàn)有工作
III 型和 IV 型壓力容器采用全復(fù)合材料外包裝，已被廣泛研究并投入商業(yè)使用。表 1總結(jié)了與 IV 型壓力容器相關(guān)的主要文獻(xiàn)。值得注意的是，許多已發(fā)表的關(guān)于 III 型船舶的工作也與 IV 型船舶的設(shè)計(jì)相關(guān)，但是這里僅涵蓋與 IV 型船舶專門相關(guān)的工作，以控制本次審查的范圍。每件作品都根據(jù)其內(nèi)容進(jìn)行了分類。例如，如果出版物列在“材料”類別中，則它包含與材料相關(guān)的特定結(jié)果，而不僅僅是提及所使用的材料。通過查閱文獻(xiàn)，數(shù)學(xué)理論（指提出控制方程和數(shù)學(xué)理論的論文）和壓力容器分析得到了很好的涵蓋，并且許多著作提供了試樣和/或全容器規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，很少有作品詳細(xì)討論轂和襯里的設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。
1.2 . V 型壓力容器的現(xiàn)有工作
早在 20 世紀(jì) 80 年代，航空航天業(yè)就開始了 V 型船舶的研究工作 [ 47 ]。許多團(tuán)體已經(jīng)開發(fā)了用于商業(yè)應(yīng)用或工業(yè)研究的 V 型儲(chǔ)罐，但是現(xiàn)有的可供嚴(yán)格審查的同行評(píng)審文獻(xiàn)非常有限。下面介紹了有關(guān) V 型 CPV 設(shè)計(jì)和制造的幾項(xiàng)工作。
馬利克等人。 [ 48 ]生產(chǎn)了許多不同尺寸的V型測試容器，并評(píng)估了它們的氦滲透性和機(jī)械性能。與同等的 I 型儲(chǔ)罐相比，一種設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)容量增加了 15%，質(zhì)量減少了 25%。另一種設(shè)計(jì)在檢測到氦泄漏之前實(shí)現(xiàn)了 558.5 bar 的壓力，爆破壓力為 620.5 bar，接近汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工作壓力 700 bar。瓊斯等人。 [ 11 ] 還設(shè)計(jì)和制造了全尺寸演示罐，經(jīng)過 41.4 bar 的驗(yàn)證測試，并在 27.6 bar 的壓力下循環(huán)了 2000 次。森本等人。 [ 49 ]準(zhǔn)備了兩個(gè)由富士重工有限公司采用準(zhǔn)各向同性疊層模式制造的無內(nèi)襯壓力容器。這些容器在液氮溫度下加壓至11巴，并進(jìn)行了氦泄漏測試。應(yīng)變計(jì)和聲發(fā)射測試用于評(píng)估容器的損壞。在低溫下或之后未檢測到損壞或泄漏。
拉菲等人。 [ 29 ]研究了有襯里罐和無襯里罐的爆破壓力預(yù)測，考慮了制造過程中存在的隨機(jī)效應(yīng)。作者發(fā)現(xiàn)，無襯里儲(chǔ)罐的層失效和爆裂都發(fā)生在較低的壓力下，Hashin 和 Hoffman 失效標(biāo)準(zhǔn)都能夠準(zhǔn)確預(yù)測無襯里儲(chǔ)罐的層失效。
2 .使用纖維纏繞的傳統(tǒng)制造
除少數(shù)用于航天應(yīng)用的燃料箱外，大多數(shù)壓力容器均采用纖維纏繞制造。該過程自 20 世紀(jì) 40 年代以來一直在使用，雖然它以其性、自動(dòng)化和低成本而聞名 [ 12 ]，但它有幾個(gè)缺點(diǎn)（圖 2），可能會(huì)限制其靈活性和優(yōu)化潛力。
1.
纖維纏繞在放置過程中使纖維處于張力下，因此只能纏繞凸面，因?yàn)榘济鏁?huì)導(dǎo)致纖維橋接。因此，容器的每一端都需要一個(gè)性凸臺(tái)或端部配件，以便纖維帶纏繞并在到達(dá)圓頂端部時(shí)返回。這些金屬軸凸臺(tái)使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜并增加了質(zhì)量。
2.
纖維帶需要在整個(gè)纏繞過程中保持連續(xù)，這會(huì)導(dǎo)致軸周圍積累過多的厚度。這可能違反應(yīng)力計(jì)算中使用的基本殼理論假設(shè) [ 50 ]。它還會(huì)導(dǎo)致圓頂加固所需的多余纖維被放置在圓柱體區(qū)域[ 51 ]。設(shè)計(jì)者無法自由地定制圓頂?shù)暮穸容喞桥c圓柱體區(qū)域的厚度和容器幾何形狀相關(guān)。
3.
當(dāng)它們受到張力時(shí)，纖維會(huì)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)測地線路徑。為了實(shí)現(xiàn)非測地線路徑，需要摩擦來防止纖維滑動(dòng)[ 12 ]。因此，非測地線纏繞能力于可用摩擦力，從而限制了設(shè)計(jì)空間。
圖2 .使用纖維纏繞制造壓力容器的局限性
3 .自動(dòng)纖維鋪放
自動(dòng)纖維鋪放（AFP）和自動(dòng)鋪帶（ATL）是機(jī)器人復(fù)合材料制造技術(shù)，被認(rèn)為是和廣泛使用的自動(dòng)化復(fù)合材料制造方法[ 53 ]。 TL 在相對(duì)簡單的表面上高速鋪設(shè)寬膠帶（通常為 75-300 毫米 [ 54 ]），使其適用于大型開放式模具，例如飛機(jī)機(jī)翼蒙皮。然而，由于寬膠帶中皺紋的積累，它在復(fù)雜輪廓或內(nèi)部幾何形狀上表現(xiàn)不佳[ 53
為了克服這些限制，AFP 被引入，其發(fā)展始于 20 世紀(jì) 80 年代 [ 55 ]。 FP 使用比 ATL 更窄的絲束（通常為 3.175–12.7 mm [ 54 ]），并結(jié)合了長絲纏繞和 ATL [ 13 , 53 ] 的元素，以允許在彎曲表面上放置以及纖維在不同方向上的取向。然而，這種靈活性往往是以降低敷層速度為代價(jià)的。與纖維纏繞和 ATL 相比，AFP 工藝的一個(gè)顯著優(yōu)勢是其執(zhí)行牽引轉(zhuǎn)向的能力。牽引轉(zhuǎn)向涉及將纖維放置在非測地線軌跡上，以實(shí)現(xiàn)表面的完全覆蓋并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和可變剛度[ 56 ]。在 AFP 過程中（示意圖如圖 3所示），進(jìn)入的絲束從一組線軸輸送到壓實(shí)輥。使用火炬或其他熱源加熱絲束，并通過輥壓實(shí)以促進(jìn)對(duì)現(xiàn)有層的粘合。在一段絲束（稱為路線）結(jié)束時(shí)，用刀切割膠帶，然后該過程可以重新開始。大多數(shù) AFP 機(jī)器人可以同時(shí)放置多個(gè)絲束。幾位作者近對(duì)AFP 流程、其特征和缺陷、前景和局限性進(jìn)行了的評(píng)論[ 13、53、55、57、58 ]。
圖3 .自動(dòng)纖維鋪放過程
3.1 .在壓力容器中的應(yīng)用
AFP 現(xiàn)有的壓力容器應(yīng)用受到限制，為了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，出版物中的細(xì)節(jié)經(jīng)常被省略。美國能源部 (DoE) 氫計(jì)劃對(duì)部分使用 AFP 制造的 IV 型壓力容器進(jìn)行了調(diào)查[ 39、51、60、61
NASA 和波音公司合作開展了復(fù)合低溫罐技術(shù)和演示 (CCTD) 項(xiàng)目。建造了兩個(gè)直徑分別為 2.4 m 和 5.5 m 的樣品容器。兩個(gè)容器均采用 AFP 技術(shù)由碳纖維/環(huán)氧樹脂材料制成，較大的 5.5 m 儲(chǔ)罐的制造如圖 4所示。采用 3.125 毫米（1/8 英寸）和 6.35 毫米（1/4 英寸）絲束的組合，較細(xì)的絲束用在彎曲的圓頂區(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%。這些儲(chǔ)罐使用低溫 LH 2在 9.3 bar 下成功進(jìn)行壓力循環(huán)，并通過了各種測試，包括聲發(fā)射檢查和氦泄漏測試。 McCarville 等人在書中詳細(xì)介紹了該項(xiàng)目。 [ 62 ]。
圖4 .作為 CCTD 項(xiàng)目一部分的法新社制造的 5.5 m 直徑低溫罐
在少數(shù)研究中，使用熱塑性復(fù)合材料的激光輔助膠帶放置 (LATP)也已應(yīng)用于 COPV/CPV [ 44 , 63 ]。沙克爾等人。 [ 21 ]介紹了有關(guān)該主題的詳細(xì)的工作，第3.3節(jié)（將 AFP 應(yīng)用于壓力容器的挑戰(zhàn)）和 5.1 節(jié)（壓力容器構(gòu)造中使用的材料）對(duì)此進(jìn)行了討論。沙克爾等人。使用 Composicad（一種纖維纏繞軟件）設(shè)計(jì)了他們的儲(chǔ)罐，因此該設(shè)計(jì)沒有充分利用膠帶放置技術(shù)的切割和重新啟動(dòng)功能，而這種功能可以使用的 AFP 編程軟件來實(shí)現(xiàn)。 AFP 在壓力容器上的大多數(shù)其他現(xiàn)有應(yīng)用都是在比汽車應(yīng)用更大的儲(chǔ)罐上，其中所需的纖維纏繞設(shè)備的規(guī)模可能不切實(shí)際或無法滿足設(shè)計(jì)要求。特別是，大型儲(chǔ)罐已被研究用于在火箭或類似車輛中運(yùn)輸?shù)蜏乜臻g燃料，例如LOx和LH 2 。
多伊爾等人。 [ 64 ]提出了使用熱塑性CF/PEEK制成的低溫燃料箱的設(shè)計(jì)。儲(chǔ)罐的圓筒區(qū)域使用 ATL 生產(chǎn)，圓頂則通過手工鋪層生產(chǎn)。提供的技術(shù)細(xì)節(jié)有限，但制造了樣品平板以評(píng)估空隙率和基本強(qiáng)度性能。提出了一種非晶層間粘合技術(shù)來將圓頂連接到圓柱體上。它在粘合界面處使用了聚醚酰亞胺薄膜，當(dāng)部件在受熱作用下擠壓在一起時(shí)，聚醚酰亞胺薄膜會(huì)熔化，從而形成結(jié)構(gòu)粘合。
3.2 . AFP 對(duì)壓力容器的潛在好處
3.2.1 .可變角度牽引和纖維轉(zhuǎn)向
AFP 允許生成非測地線和轉(zhuǎn)向路徑，與 FW 相比，提供了更好地優(yōu)化光纖鋪層的機(jī)會(huì)。此功能稱為可變角度牽引 (VAT)。 Rouhi 等人的工作。 [ 65 ]很好地證明了增值稅的好處。使用 50% 的層 VAT（以及使用恒定角度的 50%）制造圓柱體，計(jì)算出與準(zhǔn)各向同性鋪層相比，彎曲引起的屈曲載荷增加了 28%，這轉(zhuǎn)化為 18.5% 的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。VAT 還應(yīng)用于壓力容器設(shè)計(jì)，以消除容器壁中的彎曲應(yīng)力，這種應(yīng)力通常發(fā)生在圓頂/圓柱體界面處。達(dá)吉吉等人。 [ 66 ]證明了使用旋轉(zhuǎn)超橢球體生產(chǎn)無彎曲復(fù)合壓力容器的可能性。該設(shè)計(jì)通過使用薄型橢圓形圓頂實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料中均勻的全厚度應(yīng)力分布，并減小了外部尺寸。確定了一些幾何和材料引起的限制，限制了可能的超橢球形狀。同一作者還對(duì)熱機(jī)械載荷 [ 67 ] 和使用復(fù)合失效準(zhǔn)則 [ 68 ]計(jì)算允許內(nèi)部壓力進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，以進(jìn)行無彎曲設(shè)計(jì)。范等人。 [ 69 ]還推導(dǎo)了無彎曲應(yīng)力的橢圓封頭的控制方程。與 Daghighi 等人不同的是，數(shù)值模擬是在具有五種不同縱橫比的橢圓形封頭和圓柱形中心部分的容器上進(jìn)行的。誰認(rèn)為是橢球體。模擬驗(yàn)證了彎曲應(yīng)力的抑制，與各向同性材料圓頂和恒定纖維角度圓頂相比，圓頂-圓柱體界面圓頂側(cè)的應(yīng)力分別降低13.7%和34.9%。作者還指出，圓柱體和圓頂上的理想光纖角度不同，從而產(chǎn)生了角度兼容性問題，如圖5所示。這在模擬中沒有得到糾正，并且會(huì)給這些區(qū)域之間的平穩(wěn)過渡帶來制造挑戰(zhàn)。
圖5 Fan 等人繪制的各種縱橫比圓頂?shù)臒o彎曲光纖角度映射
雖然無彎曲壓力容器的工作可能會(huì)影響未來的設(shè)計(jì)，但尚未得到實(shí)驗(yàn)證明。無彎曲設(shè)計(jì)也沒有考慮到需要在容器的至少一端安裝性凸臺(tái)，這會(huì)破壞所需的光纖圖案。此外，實(shí)現(xiàn)必要的光纖角度所需的轉(zhuǎn)向半徑可能超過當(dāng)前 AFP 設(shè)備的轉(zhuǎn)向能力。從圖 5 的圓頂中心可以看出所需的嚴(yán)格轉(zhuǎn)向半徑。一種可能的解決方案是“連續(xù)絲束剪切”(CTS)。金等人。 [ 70 ]使用定制的纖維鋪放頭，通過利用纖維內(nèi)剪切特性，以小至 30 毫米的半徑引導(dǎo)纖維，這比傳統(tǒng)的約 500 毫米的小半徑有了很大的改進(jìn)。然而，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，研究期間實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3 毫米/秒的低敷層速度。
3.2.2 .選擇性強(qiáng)化
選擇性加固是使用 AFP 建造壓力容器的第二個(gè)主要好處，因?yàn)樗梢灾苯咏鉀Q第2節(jié)中列出的第二個(gè)不足。除了前面討論的美國能源部氫計(jì)劃工作之外，沒有文獻(xiàn)具體量化 AFP 可以實(shí)現(xiàn)的可能改進(jìn)。然而，使用桌布進(jìn)行局部加固可以很好地表明潛在的改進(jìn)。
例如，Roh 等人。 [ 41 ] 對(duì) IV 型容器進(jìn)行了FEA優(yōu)化，并通過圓頂中的桌布進(jìn)行選擇性加固。如圖 6所示，墊布由碳纖維“條”組成，碳纖維“條”放置在圓頂上的螺旋層之間，纖維方向接近 90°，提供環(huán)向加固并允許減小螺旋層的厚度。作者報(bào)告稱，理論上所需復(fù)合材料的數(shù)量減少了近 10%。卡爾塔夫等人。 [ 71 ]設(shè)計(jì)并建造了一個(gè) III 型壓力容器，使用墊布層進(jìn)行穹頂加固。研究發(fā)現(xiàn)，添加墊布層可使爆破壓力增加 29%，并將失效位置從圓頂移至圓柱體，這被認(rèn)為更安全。
圖6 .圓頂中的桌布加固示意圖
3.3 . AFP應(yīng)用于壓力容器的挑戰(zhàn)
3.3.1 .缺陷控制
與纖維纏繞相比，AFP 不太成熟，并且在商業(yè)產(chǎn)品上的應(yīng)用也較少。 AFP 部件的質(zhì)量高度依賴于大量變量 [ 13 ]。例如，滾筒的尺寸必須與零件曲率相匹配，以確保絲束的良好壓實(shí)。如果匹配不正確，端部切割操作的精度可能會(huì)降低，并且可能會(huì)出現(xiàn)絲束滑動(dòng)或橋接等缺陷[ [72]、[73]、[74] ]。奧羅米希等人。 [ 13 ] 和貝爾努埃等人。 [ 75 ]廣泛審查了 AFP 缺陷、它們的產(chǎn)生以及對(duì)性能的影響。圖 7描述了四種常見的缺陷類型。間隙和重疊是絲束之間常遇到的缺陷之一，并導(dǎo)致缺陷區(qū)域的厚度不均勻[ 13 ]。克羅夫特等人。 [ 76 ]發(fā)現(xiàn)間隙導(dǎo)致拉伸、壓縮和開孔拉伸測試中強(qiáng)度的降低。相反，在每項(xiàng)測試中都發(fā)現(xiàn)重疊可以增加強(qiáng)度。沃伊克等人。 [ 77 ]對(duì)使用手工鋪層模擬的 AFP 缺陷進(jìn)行了類似的工作。作者發(fā)現(xiàn)，間隙或重疊本身對(duì)拉伸或壓縮強(qiáng)度沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著影響，但當(dāng)它們結(jié)合起來時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。
3.3.2 .身體限制
AFP 工藝的物理限制也給壓力容器制造帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)前 AFP 打印頭尺寸較大，這意味著如果考慮不當(dāng)，可能會(huì)發(fā)生與零件或工具的碰撞。在太空應(yīng)用中使用的火箭級(jí)儲(chǔ)罐上，這不是一個(gè)問題，因?yàn)殡S著儲(chǔ)罐直徑的增加，AFP 頭部與零件和工具之間的尺寸差異也會(huì)增加，為頭部移動(dòng)提供相對(duì)更多的空間。由于端部圓頂半徑較小，坦克還需要更快速的頭部運(yùn)動(dòng)，這可能會(huì)給機(jī)器人的控制器帶來問題。在小型儲(chǔ)罐上，即用于汽車應(yīng)用，Schakel 等人。 [ 21 ]（之前在第3.1節(jié)中討論過）提出了克服這一挑戰(zhàn)的工作。作者使用 Fraunhofer“多材料頭”和激光輔助膠帶放置 (LATP) 設(shè)置，制作了多個(gè)帶有 PA6 內(nèi)襯的直徑 304 mm GF/PA6 樣品罐。如圖8所示，壓實(shí)輥具有大直徑并且是懸臂式的，使得膠帶可以像纖維纏繞一樣非常靠近車頭放置，而不會(huì)發(fā)生碰撞。這些特征與常規(guī)的現(xiàn)成熱固性貼裝頭明顯不同，如圖 8右側(cè)所示，后者在兩側(cè)支撐滾輪。值得注意的是，LATP 頭放置單個(gè) 12 mm 寬的膠帶，而熱固性頭放置 4 × 6.35 mm 寬的膠帶。從圖 8的目視檢查來看，熱固性頭無法將材料與主軸箱相切放置而不會(huì)發(fā)生碰撞，正如多材料頭所實(shí)現(xiàn)的那樣，這對(duì)大多數(shù)商用 AFP 硬件的制造帶來了挑戰(zhàn)。在不修改放置頭的情況下，可以通過創(chuàng)新用于固定容器的工具和支撐結(jié)構(gòu)來解決這一挑戰(zhàn)。
圖8 . LATP 制造小直徑 CPV（左）（經(jīng)參考文獻(xiàn) [ 21 ]許可復(fù)制）和典型熱固性 AFP 頭（右）。
曲等人。 [ 80 ]提出了一種模擬方法來評(píng)估 AFP 頭到放置表面的可達(dá)性。他們的方法考慮了滾輪訪問零件表面（位置空間）并將滾輪垂直于表面（高度空間）放置的能力。針對(duì)特定的 AFP 設(shè)置評(píng)估了可能的位置和高度空間，并用于驗(yàn)證樣本工具表面的可訪問性。在某些情況下，使用當(dāng)前的 AFP 設(shè)備可能無法制造復(fù)雜的幾何形狀。海利等人。 [ 81 ]對(duì)復(fù)雜 y 形管的 AFP 鋪層進(jìn)行了模擬，如圖9所示。人們發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)的 AFP 設(shè)備很難覆蓋該幾何形狀，因?yàn)樗璧母叨葟澢睦w維路徑會(huì)導(dǎo)致絲束彎曲。作者指出，CTS 能夠克服這個(gè)問題。此外，由于機(jī)器人關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的限制，還有許多區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)覆蓋。作者還假設(shè)貼裝頭足夠小以避免碰撞，但這在現(xiàn)實(shí)世界的制造場景中并不成立。即使克服了碰撞困難，復(fù)雜的圓頂曲率和三維頭部運(yùn)動(dòng)也會(huì)限制貼裝速度。雖然在簡單的幾何形狀上 AFP 敷層速率可以達(dá)到 150 kg/h，但隨著復(fù)雜性的增加，可能有必要減慢敷層速度，或使用較短的路線或更窄的絲束 [ 82 ]。纖維纏繞受這種現(xiàn)象的影響較小，因此 AFP 和 FW 之間的制造時(shí)間差異應(yīng)與其他優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)一起考慮。
圖9 . Hély 等人使用的 Y 形管狀幾何形狀。
通過使用數(shù)字孿生深入了解 AFP 流程，可以解決這些制造挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生將物理過程與基于計(jì)算機(jī)的模擬相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)智能制造和復(fù)雜的過程控制[ 83 , 84 ]。贊巴爾等人。 [ 85 ]構(gòu)建了干纖維 AFP 流程的數(shù)字孿生。收集有關(guān)缺陷和其他相關(guān)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該模型能夠在缺陷發(fā)生時(shí)使用有限元分析來計(jì)算缺陷的影響。同一作者還提出了一種使用人工智能在 AFP 流程中進(jìn)行基于圖像的缺陷檢測的概率模型[ 86 ]。孫等人。 [ 87 ] 回顧了 AFP 制造中使用的各種在線缺陷檢測技術(shù)。
4 . V型壓力容器發(fā)展領(lǐng)域
IV 型壓力容器技術(shù)成熟并積應(yīng)用于商業(yè)應(yīng)用。然而，V 型壓力容器目前處于較低的技術(shù)準(zhǔn)備階段，缺乏可用的文獻(xiàn)證明了這一點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模采用之前，已經(jīng)確定了必須解決的兩個(gè)挑戰(zhàn)領(lǐng)域：造和滲透控制。下面討論每個(gè)領(lǐng)域。
4.1 .制造業(yè)
無論是纖維纏繞工藝還是 AFP，都必須使用心軸來纏繞纖維。對(duì)于 II-IV 型儲(chǔ)罐，內(nèi)襯用作心軸，并在纏繞完成后留在容器內(nèi)。對(duì)于 V 型儲(chǔ)罐，必須拆除心軸才能實(shí)現(xiàn)無內(nèi)襯設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的方法是使用可溶心軸，可以用水將其從水箱中取出。沙子、石膏和 PVA 都已??用于此目的 [ 12 ]。瓊斯等人。 [ 11 ]指出，由于材料兼容性的限制以及根據(jù)性開口尺寸很難去除溶解的核心，這些核心并不總是可行的。相反，作者使用了兩件式復(fù)合材料外殼作為心軸。這是通過將細(xì)絲纏繞在實(shí)心工具上并將零件切成兩半以移除工具，然后將兩半重新粘合在一起而構(gòu)建的。生產(chǎn)兩半復(fù)合材料心軸的優(yōu)點(diǎn)包括更容易在罐內(nèi)安裝部件以及易于檢查。CCTD 項(xiàng)目 [ 62 ]（之前在第3.1節(jié)（壓力容器的應(yīng)用）中討論過）也使用了實(shí)體工具。建造了分段工具（圖10 ）來代替可溶解的心軸。直徑 2.4 m 的演示罐使用 24 個(gè)實(shí)心復(fù)合材料段，在赤道處有一個(gè)裂縫，這些段緊固在一起形成一個(gè)完整的心軸。連接面和關(guān)鍵幾何形狀經(jīng)過匹配加工并根據(jù)協(xié)調(diào)特征進(jìn)行索引，以確保組裝。為了在 AFP 鋪設(shè)后移除工具，從罐內(nèi)松開分段并通過開口取出。 2.4 m 罐體上的開口直徑為 457 mm，允許工人在里面拆卸部件。這種方法非常適合大型儲(chǔ)罐，但是尚未在較小規(guī)模的儲(chǔ)罐（例如汽車應(yīng)用中使用的儲(chǔ)罐）上得到驗(yàn)證。
圖10 CCTD 項(xiàng)目 2.4 m 坦克鋪設(shè)工具（轉(zhuǎn)載自公共領(lǐng)域圖
4.2 .滲透
眾所周知， FRP 層壓板由于其分子直徑小和運(yùn)動(dòng)粘度高，對(duì)多種氣體（特別是氫氣）表現(xiàn)出高滲透性[ 15,88,89 ]。迄今為止，這一特性將無襯里壓力容器限制在低壓操作[ 9 ]（泄漏率較低）和低溫儲(chǔ)存（其中氫處于液態(tài)）。使用 AFP 時(shí)會(huì)遇到額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)榕c手糊相比，AFP/ATL 制造的層壓板顯示出更高的滲透性 [ 64 ]。美國能源部氫計(jì)劃已指定儲(chǔ)存氫氣的終泄漏目標(biāo)為 0.05（克/小時(shí)）/千克，以幫助指導(dǎo)研究人員大限度地減少滲透性的工作[ 90 ]。同樣，亞當(dāng)斯等人。 [ 91 ]提出20℃時(shí)大允許滲透率為8.0(mL/hr)/L水容量。這種滲透主要由兩種現(xiàn)象決定，如圖 11 (a)所示。
擴(kuò)散導(dǎo)致加壓氣體吸附到容器壁中，擴(kuò)散通過材料并解吸到大氣中。 Humpenöder [ 92 ] 發(fā)表了有關(guān)復(fù)合材料中氣體擴(kuò)散的數(shù)學(xué)和概念背景的詳細(xì)信息。
基質(zhì)中相互關(guān)聯(lián)的微裂紋為氣體逸出打開了“通道”，如圖11 (b) 所示。
圖11 （a）泄漏機(jī)制和（b）由于交叉基質(zhì)微裂紋而產(chǎn)生的詳細(xì)機(jī)械泄漏機(jī)制
?雖然這兩種機(jī)制對(duì)總滲透貢獻(xiàn)了可測量的量，但微裂紋引起的泄漏已被證明比擴(kuò)散引起的泄漏高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[ [94]、[95]、[96] ]。在一些數(shù)學(xué)模型中，擴(kuò)散甚至被忽略[ 97 ]。滲透性受到多種材料和環(huán)境因素的影響，包括溫度、壓力、基體特性、纖維分布、纖維類型和層堆疊順序[ 20、98、99 ] 。然而，基于材料的特性已被證明對(duì)滲透性的改變小于一個(gè)數(shù)量級(jí)[ 100 ]。
對(duì)于高壓（即700巴）環(huán)境下聚合物的滲透性也知之甚少[ 20 ]。由于缺乏高壓測試設(shè)備，滲透測量通常在低壓下進(jìn)行。藤原等人。 [ 101 ]構(gòu)建并驗(yàn)證了 900 bar 滲透性單元來解決這個(gè)問題，但是，僅測試了聚合物而不是復(fù)合材料。典型的滲透池還測量卸載樣品時(shí)的滲透性。這意味著大多數(shù)裂紋在測量過程中是閉合的，這并不代表壓力容器的操作條件。勞弗等人。 [ 102 , 103 ]已經(jīng)解決了這個(gè)問題，使用一種新穎的測試裝置來測量加壓圓柱形樣品的滲透性。
基體微裂紋是由復(fù)合材料層壓板的機(jī)械和熱載荷引起的，并且發(fā)生在層厚度上并平行于纖維[ 88 , 104 ]。這種裂縫的形成可以在容器壁上打開“通道”，使氣體逸出，這通常被認(rèn)為是復(fù)合罐的種失效模式[ 47 , 89 ]。雖然這些裂紋單獨(dú)不會(huì)導(dǎo)致容器發(fā)生災(zāi)難性故障，但它們會(huì)導(dǎo)致層壓板機(jī)械性能的整體惡化，并且可能會(huì)擴(kuò)大導(dǎo)致儲(chǔ)罐完全失效[ 104 ]。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，了解這些裂紋的形成以及它們?nèi)绾斡绊憙?chǔ)罐的性能非常重要。
4.2.1 .纖維復(fù)合材料透氣性的實(shí)驗(yàn)評(píng)估
幾位作者研究了復(fù)合層壓材料的透氣性?，F(xiàn)有的大部分工作都是在低溫下進(jìn)行滲透的，但許多出版物也包括室溫下的結(jié)果。人們發(fā)現(xiàn)氣體泄漏率隨著機(jī)械應(yīng)變、裂紋密度和溫度的降低而增加，并且隨著裂紋交叉角度的變化而變化[ [105]、[106]、[107]、[108] ]。鋪設(shè)順序也會(huì)影響滲透性，相同角度的層被分組而不是分散在整個(gè)厚度的層壓板已顯示出泄漏增加[ 106 ]。此外，復(fù)合織物類型會(huì)影響滲透性，縫合材料表現(xiàn)出比未縫合材料更高的滲透性[ 109 ]，層壓復(fù)合材料表現(xiàn)出比紡織復(fù)合材料更高的滲透性[ 106 ]。
弗拉納根等人。 [ 95 ]研究了使用常規(guī)手糊和熱壓罐技術(shù)以及熱塑性ATL制造的熱固性和熱塑性復(fù)合材料的滲透性。滲透率值與純PEEK和PVC進(jìn)行了比較。使用高壓釜固化制備的所有樣品均表現(xiàn)出近菲克行為。這是一個(gè)有趣的觀察，因?yàn)榉瓶硕擅枋隽送ㄟ^均質(zhì)材料的擴(kuò)散，而復(fù)合材料不是均質(zhì)的。然而，使用 ATL 制作的樣品不遵循菲克定律，并且泄漏率表現(xiàn)出 70% 的顯著方差系數(shù)。作者將此歸因于使用顯微照片識(shí)別出的 ATL 層壓板中存在微裂紋、脫粘和其他不連續(xù)性。此外，發(fā)現(xiàn)熱固性和熱塑性復(fù)合材料的滲透性處于同一數(shù)量級(jí)。
4.2.2 .層壓復(fù)合材料的透氣率建模
與擴(kuò)散率一樣，微裂紋敏感性可以測量和建模。典型的斷裂力學(xué)和基于強(qiáng)度的方法無法令人滿意地模擬微裂紋，因?yàn)榱鸭y往往立即形成，而不是像傳統(tǒng)裂紋那樣生長。對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行建模的工作主要可以分為兩個(gè)領(lǐng)域：實(shí)驗(yàn)/經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)值方法。
Nairn [ 104 ] 提出了一種經(jīng)驗(yàn)有限斷裂力學(xué)方法?；谀芰康哪Ｐ痛_定，當(dāng)裂紋形成過程中釋放的總能量達(dá)到表示微裂紋斷裂韌性(MFT)的臨界水平時(shí)，就會(huì)形成新的微裂紋，或者
袁等人。 [ 116 ]產(chǎn)生了用于滲透率預(yù)測的有限元分析模型。該模型成功預(yù)測了三種不同樣本在室溫和低溫下的滲透率。徐等人。 [ 117 ]還建立了一種基于有限元的方法，用于預(yù)測交叉層合板的滲透率。滲透率是根據(jù)裂紋密度、開口位移和實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)來確定的。研究發(fā)現(xiàn)，裂縫密度和開口位移對(duì)滲透率有顯著影響，因?yàn)樗鼈儧Q定了交叉面積。發(fā)現(xiàn)裂紋密度比開口位移具有更大的影響。 O Brádaigh 等人。 [ 32 ] 使用 X 射線掃描和顯微鏡來繪制低溫循環(huán)裂紋擴(kuò)展圖。該數(shù)據(jù)被輸入到組合的XFEM粘性區(qū)域模型中，用于未來的微裂紋預(yù)測。與薄的層壓板相比，在厚的層壓板部分檢測到更多損壞，這表明殘余應(yīng)力是造成這種情況的原因。
近，埃伯曼等人。 [ 8 ]比較了確定復(fù)合材料有效滲透率的分析方法和數(shù)值方法。使用兩種分析方法（Weiner 界限、Hashin-Shtrikman 界限）和代表性體積元素的數(shù)值 FEA 計(jì)算對(duì)層壓板性能進(jìn)行均質(zhì)化，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。數(shù)值和分析結(jié)果非常吻合，擴(kuò)散顯示為未損壞層壓板滲透的主要驅(qū)動(dòng)力。然而，一旦引入小閾值體積（<1%）的裂縫，滲透率就會(huì)顯著增加。超過這個(gè)閾值，裂縫體積對(duì)滲透率影響很小。
5 .材料和材料增強(qiáng)
5.1 .壓力容器制造所用材料
5.1.1 .纖維
復(fù)合材料壓力容器通常采用碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維或其混合物進(jìn)行增強(qiáng)[ 12 ]。然而，大多數(shù)復(fù)合材料壓力容器由于其高強(qiáng)度和剛度特性而使用碳纖維增強(qiáng)材料。單向纖維幾乎專門用于 COPV/CPV 結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗c FW 和 AFP 制造兼容，并沿纖維方向提供高的強(qiáng)度。在某些情況下，使用了機(jī)織織物材料，但這通常是在重量并不重要的容器中，因?yàn)榕c單向絲束相比，它們的強(qiáng)度較差[ 50 ]。選擇光纖時(shí)的一個(gè)主要考慮因素是尺寸效應(yīng)。黃等人。 [ 118 ]研究了纖維強(qiáng)度對(duì)容器性能的尺寸效應(yīng)。由于機(jī)械性能與材料中的缺陷密切相關(guān)，因此預(yù)計(jì)強(qiáng)度會(huì)隨著部件尺寸的增加而降低。當(dāng)從纖維束測試擴(kuò)展到纖維纏繞壓力容器時(shí)，預(yù)測并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輸送纖維強(qiáng)度會(huì)降低 16-32%，這凸顯了在執(zhí)行優(yōu)惠券級(jí)測試時(shí)了解尺寸效應(yīng)的重要性。黃等人。 [ 119 ]還開發(fā)了爆環(huán)測試。該測試涉及加載代表壓力容器上的環(huán)向?qū)拥?FW 環(huán)，直至機(jī)械模擬環(huán)向應(yīng)力失效。與傳統(tǒng)的拉伸測試相比，該方法捕獲的 FW 工藝參數(shù)和產(chǎn)生的失效應(yīng)變結(jié)果與全尺寸容器相同，顯著性水平在 5% 以內(nèi)。此外，科恩等人。 [ 120 , 121 ] 展示了纖維體積分?jǐn)?shù)(FVF) 對(duì) FW 容器強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，終失效應(yīng)變隨著環(huán)向?qū)又?FVF 的增加而增加，這與失效壓力直接相關(guān)。雖然傳統(tǒng)纖維仍然是受歡迎的選擇，但可持續(xù)纖維和天然纖維也已被研究用于復(fù)合壓力容器。它們之前已應(yīng)用于CNG存儲(chǔ)的低壓應(yīng)用 [ 122 ]，近又針對(duì)高壓應(yīng)用進(jìn)行了研究。布維爾等人。 [ 123 ]研究了 IV 型 COPV 的替代纖維選擇。作者根據(jù)幾個(gè)優(yōu)化參數(shù)（即機(jī)械性能、成本、可回收性）提出了不同的纖維選擇。 E-glass/T700S 碳混合材料的成本低，而玄武巖/回收 T700S 和亞麻/回收 T700S 混合材料有望分別減少 700 bar 和 350 bar 容器的溫室氣體排放。值得注意的是，完全 T700S 容器仍然是獲得大機(jī)械性能的明顯選擇。
5.1.2 .基體材料
大多數(shù)現(xiàn)有的 COPV/CPV 設(shè)計(jì)都是使用熱固性基質(zhì)制造的，因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)起來更容易、更可靠 [ 21 ]。具體來說，對(duì)于表 1中列出的使用熱固性材料并提供材料信息的作品，除了兩個(gè)之外，所有作品都使用了環(huán)氧樹脂基體。約翰遜等人。 [ 31 ]，使用納米改性乙烯基酯樹脂系統(tǒng)，由于其密度較低，與環(huán)氧樹脂相比，重量減輕了 5-7%。此外，Shao 等人。 [ 33 ]比較了環(huán)氧樹脂和乙烯基酯 COPV，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)裂紋。基體材料對(duì)儲(chǔ)罐的熱機(jī)械性能有顯著影響。特別是對(duì)于氫氣應(yīng)用，快速填充過程中可能會(huì)發(fā)生較大的溫度變化[ 124 ]。這會(huì)導(dǎo)致血管壁產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力。復(fù)合材料的失效已被證明在熱載荷下比機(jī)械載荷下更容易發(fā)生[ 125 ]，只需少量的循環(huán)即可引發(fā)熱機(jī)械疲勞損傷[ 126 ]。即使在室溫變化很小的情況下，這種損壞也會(huì)降低強(qiáng)度和剛度[ 127 ]。可以通過小化儲(chǔ)罐的體積與表面積之比來小化熱機(jī)械效應(yīng)[ 128 ]，這有利于較小規(guī)模的儲(chǔ)罐。因此，在材料選擇過程中應(yīng)考慮罐體尺寸和工作循環(huán)。熱機(jī)械應(yīng)力引起的降解與環(huán)氧基質(zhì)特別相關(guān)[ 129 ]，因此也對(duì)熱塑性材料進(jìn)行了研究。諸如提高斷裂韌性[ 130 ]、重復(fù)成型性、可焊性、可修復(fù)性、易于回收和縮短制造時(shí)間[ 21 ]等優(yōu)點(diǎn)對(duì)于V型儲(chǔ)罐的使用具有吸引力。 AFP 和纖維纏繞均可與熱固性或熱塑性材料一起使用。 Boon 等人近對(duì)原位固結(jié)（AFP 和 FW）熱塑性材料的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。 [ 59 ]。沙克爾等人。 [ 21 ]使用激光輔助膠帶纏繞（LATP）設(shè)計(jì)并測試了熱塑性壓力容器。 LATP 工藝在制造過程中進(jìn)行了表征。人們發(fā)現(xiàn)，由于帶進(jìn)給速度的高波動(dòng)和激光基板面積的變化，圓頂給制造帶來了挑戰(zhàn)。由于機(jī)器人手臂的不同位置影響進(jìn)給速率，每個(gè)圓頂（圖8中的頭座和尾座）受到不同的影響。還發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速率與模擬值有很大差異。維拉隆加等人。 [ 44 ] 使用 PA6 襯里和樹脂系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)纖維纏繞 700 bar 熱塑性容器。該船經(jīng)過了商業(yè)用途測試，但發(fā)表的文章中只提供了很少的細(xì)節(jié)?；艨说热?。 [ 63 ]使用LATP設(shè)計(jì)和制造了兩個(gè)用于航空航天應(yīng)用的壓力容器。原型坦克的直徑為 1.3 m，開口半徑為 175 mm。作者沒有提供有關(guān)儲(chǔ)罐工作壓力或儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)容納物質(zhì)的技術(shù)細(xì)節(jié)。 O Brádaigh 等人。 [ 32 ]提出了用于太空應(yīng)用的熱塑性燃料箱的設(shè)計(jì)。生產(chǎn)了模制 PEEK 襯里，并提取片段進(jìn)行滲透測試。一些襯管段也使用 LATP 進(jìn)行包裹并進(jìn)行低溫循環(huán)以測量裂紋擴(kuò)展。將熱塑性材料應(yīng)用于 AFP 時(shí)的一個(gè)重要考慮因素是溫度控制和分布。扎米等人。 [ 131 ]構(gòu)建了一個(gè)數(shù)值模型來模擬 LATP 過程中熱塑性塑料的溫度。發(fā)現(xiàn)容器規(guī)模和尺寸會(huì)影響溫度。隨著罐半徑的增加，內(nèi)襯溫度（對(duì)于 IV 型罐）降低，冷卻時(shí)間增加，這在批量生產(chǎn)場景中應(yīng)考慮。較大直徑的罐在膠帶和基材中的壓區(qū)點(diǎn)溫度也較高。顯然，工藝參數(shù)應(yīng)根據(jù)容器規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。
5.1.3 .養(yǎng)護(hù)
復(fù)合材料固化周期影響復(fù)合材料壓力容器的終性能。對(duì)于 V 型 CPV 尤為重要的是，固化周期會(huì)影響微裂紋的形成。對(duì)于高溫下的固化，存在無應(yīng)力溫度，通常接近固化溫度。部件溫度（即在固化過程中冷卻或在給定溫度下運(yùn)行時(shí)）與無應(yīng)力溫度的偏差會(huì)引起熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致微裂紋形成，從而導(dǎo)致透氣性增加。這些殘余應(yīng)力的存在是由于纖維和基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配[ 132 ]。 Timmerman 等人研究了固化溫度對(duì)裂紋密度的影響。 [ 133 ]。作者改變了在高壓釜中固化的 CF/環(huán)氧樹脂層壓板的固化溫度。將溫度從 70 °C 升高至 180 °C 導(dǎo)致裂紋密度從 10 裂紋/cm 2 增加至 35 裂紋/cm 2，因?yàn)檩^高的固化溫度導(dǎo)致較高的無應(yīng)力溫度。復(fù)合材料壓力容器可采用多種固化技術(shù)。對(duì)于使用 FW 和 AFP 制造的熱固性材料，高壓釜和非高壓釜 (OoA) 加工仍然很流行。在降低無應(yīng)力溫度的背景下，OoA 固化通?？梢栽诒雀邏焊袒偷臏囟认逻M(jìn)行。OoA 工藝涉及在沒有來自高壓釜的外部壓力的情況下進(jìn)行固化，通常僅使用常規(guī)烤箱和真空袋[ 134 ]。 OoA 固化通常用于無法放入高壓釜內(nèi)的大型儲(chǔ)罐，這對(duì)于使用火箭或飛機(jī)規(guī)模的儲(chǔ)罐的航空航天應(yīng)用非常感興趣。因此，CCTD 項(xiàng)目采用了 OoA 流程來修復(fù)兩個(gè)演示坦克。為了進(jìn)一步降低固化溫度，可以使用樹脂灌注或樹脂傳遞模塑工藝。在纖維纏繞中，濕法纏繞仍然是流行且具成本效益的技術(shù)[ 12 ]。濕法纏繞涉及在纏繞到心軸上之前立即將干纖維穿過樹脂浴。這需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的固化過程，通常涉及高溫。然而，干式纏繞還處于發(fā)展的早期階段[ 135 ]，它消除了樹脂浴，而是增加了二次灌注或成型工藝。這些過程可以在室溫下進(jìn)行，為降低殘余應(yīng)力引起的微裂紋提供了一個(gè)有趣的機(jī)會(huì)。干式纖維鋪放也適用于 AFP，目前也處于開發(fā)的早期階段。維爾登茨等人。 [ [136]、[137]、[138] ]對(duì)干纖維AFP組件的材料選擇和制造進(jìn)行了詳細(xì)的工作。
5.2 .材料增強(qiáng)以減少滲透
存在多種提高復(fù)合材料滲透性的方法。增加 FVF 已被證明可以通過增加層壓板的彎曲度來降低滲透性 [ 8 , 139 ]。彎曲度是指纖維對(duì)氣體流動(dòng)的物理阻擋作用，本質(zhì)上是形成迷宮。通過使用隨機(jī)取向或短切原絲纖維也可以增加彎曲度[ 8 , 98 ]，但是未排列的纖維對(duì)于壓力容器中的高負(fù)載來說是不可行的。下面介紹了流行的材料修改。
5.2.1 .使用薄層材料進(jìn)行改進(jìn)
薄層板的層厚度小于典型材料選擇，其制造、性能和用途已由 Galos [ 140 ] 審查。哈莫里等人。 [ 141 ]評(píng)估了薄板層壓板作為降低滲透性的方法。在本研究中，使用的層厚度為 0.06 毫米。使用規(guī)則厚度層的 [0 4 /90 4 ] 2S交叉層壓板（總厚度 1.8 mm）的滲透性與 [0 4 /90 4 0 4 /90 4 /0/90] S層壓板（總厚度厚度 2 毫米），其中中心四層很薄，在雙軸載荷下。在等效應(yīng)變水平下，具有薄層的樣品表現(xiàn)出對(duì)氦氣的滲透性降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。熊澤等人。 [ 99 ]將此結(jié)果歸因于裂紋形成的減少和基體相交數(shù)量的增加作為歐盟委員會(huì) CHATT 項(xiàng)目 [ 142 , 143 ] 的一部分，建造了一個(gè)外徑為 165 mm 的無襯里氣缸并進(jìn)行了滲透性測試。該設(shè)計(jì)采用普通層和薄層材料的組合來平衡低制造時(shí)間和低滲透性。使用 TeXtreme 的薄鋪展絲束材料，實(shí)現(xiàn)了 0% 的空隙率。作者觀察到，層厚度對(duì)微裂紋起始應(yīng)力有顯著影響，如果正確控制層厚度，則可以將該值加倍。在 3 bar 和 -150 °C 的氦氣氣氛中對(duì)氣缸進(jìn)行軸向加載，在觀察到泄??漏或故障之前記錄了 1.6% 的軸向應(yīng)變。
5.2.2 .使用納米修飾進(jìn)行改進(jìn)
減少復(fù)合材料中微裂紋的第二個(gè)重要方法是通過納米改性和增韌。博蒙特等人。 [ 144 ]發(fā)表了關(guān)于納米工程復(fù)合材料的機(jī)制、挑戰(zhàn)和機(jī)遇的詳細(xì)討論。張等人近也廣泛報(bào)道了碳納米管用于CFRP斷裂韌性改性的用途。 [ 145 ]。使用其他形式的納米修飾的相關(guān)工作如下表 2所示。介紹了各種工作的主要結(jié)果以及技術(shù)細(xì)節(jié)?？傮w而言，樹脂納米改性在改善材料性能方面非常有效，可減少微裂紋和滲透，例如斷裂韌性?，F(xiàn)有的工作主要集中在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的改進(jìn)上，這仍然與該領(lǐng)域高度相關(guān)。許多工作還將納米改性混合到樹脂中，并使用濕法鋪層或灌注技術(shù)將其引入纖維中，這在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中很方便，但并不完全適用于通常使用預(yù)浸材料的 AFP。
Islam 等人很好地描述了通過納米改性可以減少微裂紋。圖12比較了用 nCuO 改性的復(fù)合材料（由 Change 等人研究）和聚多巴胺涂覆的 nCuO 的顯微照片。其他值得注意的結(jié)果包括 Haight 等人的結(jié)果。他們的樹脂系統(tǒng)已開發(fā)成商用產(chǎn)品，并在全尺寸復(fù)合材料壓力容器上進(jìn)行了演示。此外，Wei 實(shí)現(xiàn)的氫滲透率降低使得滲透率值低于常見的 IV 型 COPV 內(nèi)襯材料（包括 HDPE、LDPE、PA 和 PTFE）的滲透率值。
圖12。在 LN 2溫度下淬火的層壓板的光學(xué)顯微照片（a）用 nCuO 生產(chǎn)，（b）PDA 涂層 nCuO
5.2.3 .減少滲透的后續(xù)步驟
顯然，有多種方法可以有效提高復(fù)合材料層合板的斷裂韌性并降低氫滲透率。然而，現(xiàn)有工作主要處于樣本規(guī)模，需要系統(tǒng)級(jí)評(píng)估。在儲(chǔ)罐層面，應(yīng)使用美國能源部 (US DoE) 單位（克/小時(shí)）/千克儲(chǔ)存的氫氣來測量滲透率，以便與目標(biāo)泄漏率進(jìn)行直接比較。此外，用于實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)的制造工藝的可擴(kuò)展性必須在儲(chǔ)罐級(jí)別進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于薄層材料，應(yīng)研究與生產(chǎn)所需厚度所需的額外制造時(shí)間和面積纖維要求相關(guān)的額外成本。例如，使用厚度為常規(guī)絲束一半的薄層絲束可能會(huì)使放置/卷繞時(shí)間加倍，因?yàn)樾枰獌杀兜膶訑?shù)才能達(dá)到相同的厚度。對(duì)于納米修飾，引入修飾的方法可能在樣品規(guī)模上有效，但不適用于纖維纏繞或 AFP。例如，與平面樣品相比，在大的彎曲表面上的噴涂更難控制，并且納米顆粒與純樹脂混合的方法可能不適用于主要使用預(yù)浸料材料的 AFP，盡管干纖維 AFP 是可能的。137、155、156 ]。???后，現(xiàn)有的工作主要應(yīng)用于使用手糊技術(shù)制作的樣品。由于常見缺陷以及與傳統(tǒng)手工鋪層相比，AFP 的技術(shù)成熟度普遍較低，應(yīng)用于 AFP 生產(chǎn)的層壓板時(shí)，結(jié)果可能會(huì)有所不同。
6 .成本
復(fù)合材料壓力容器的成本是其在工業(yè)中采用的主要因素。使用 FW 制造的 IV 型壓力容器目前在全球許多應(yīng)用中使用，纖維纏繞被認(rèn)為是一種“經(jīng)濟(jì)實(shí)惠”的復(fù)合材料制造技術(shù)[ 12 ]。與應(yīng)該理解的現(xiàn)有技術(shù)相比，V 型技術(shù)和基于 AFP 的制造都將在不同領(lǐng)域帶來成本節(jié)省和損失。
阿澤姆等人。 [ 12 ]給出了I-IV型壓力容器每升的成本。 IV 型 COPV 的價(jià)格是 I 型的 3.5 倍，是 II 型的 2.2-2.5 倍，是 III 型的約 1.3 倍。這些值不適用于特定的工作壓力。作者承認(rèn)了 V 型，但沒有提供成本信息。 Hua 等人指出，存儲(chǔ)壓力也會(huì)對(duì)成本產(chǎn)生影響。 [ 157 ]建立了IV型儲(chǔ)罐的成本模型并比較了不同的壓力。 350 bar 和 700 bar 儲(chǔ)罐的成本分別為 15.4 美元/kWh 和 18.7 美元/kWh（美元）。在這兩種壓力下，碳纖維材料構(gòu)成了大部分成本，其他幾位作者也得出了這個(gè)結(jié)論[ 12,158,159 ]。較高壓力的 700 bar 儲(chǔ)罐的成本不會(huì)是 350 bar 儲(chǔ)罐的兩倍，因?yàn)樵谠黾哟鎯?chǔ)壓力時(shí)，許多制造設(shè)備和工廠的平衡不會(huì)發(fā)生顯著變化。 Sun 等人也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。 [ 159 ]，他分析了汽車應(yīng)用的 III 型氫罐的成本。作者發(fā)現(xiàn)，材料成本與存儲(chǔ)壓力呈非線性關(guān)系，即壓力加倍并不會(huì)使成本加倍。作者發(fā)現(xiàn)優(yōu)化成本和存儲(chǔ)密度的操作壓力為 500-550 bar。這明顯低于目前汽車行業(yè)使用的 700 bar IV 型儲(chǔ)罐。
基于 AFP 的壓力容器制造的成本效益也尚未得到詳細(xì)研究。與其他方法相比，AFP 的成本效益因零件尺寸和幾何形狀而異，該工藝適合可以保持高鋪層率的大型零件[ 160 ]。美國能源部氫計(jì)劃對(duì)使用 FW 與混合 AFP/FW 方法制造的 IV 型 COPV 進(jìn)行了的成本評(píng)估 [ 39 ]。通過在與主容器分開的生產(chǎn)線（即并行）上生產(chǎn)圓頂?shù)?AFP 加固材料并將其集成到第二步中，實(shí)現(xiàn)了低成本。這節(jié)省了 11% 的成本并減少了 15% 的材料。盡管 AFP 的材料沉積率明顯低于 FW（0.9 kg/h vs 13.2 kg/h），但仍實(shí)現(xiàn)了這些節(jié)省，因?yàn)樽髡哂?jì)算出在 500,000 規(guī)模的情況下，材料成本占容器總成本的 84-90%每年單位，這意味著機(jī)器利用率是優(yōu)化復(fù)合材料鋪層的次要因素。
使用 AFP 時(shí)的另一個(gè)成本考慮因素是需要進(jìn)行檢查。 Björnsson [ 82 ] 發(fā)現(xiàn) AFP 機(jī)器總時(shí)間的 32% 用于檢查零件。同樣，上籃時(shí)間估計(jì)低至 24-26% [ 55 , 161 ]。為了改進(jìn)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，許多作者研究了自動(dòng)檢查技術(shù)。薩科等人。 [ 162 , 163 ] 開發(fā)了 ACSIS 系統(tǒng)，使用激光輪廓測量和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行缺陷跟蹤，用于自動(dòng)層檢查?？肆_姆霍爾茨等人。 [ 164 ]使用激光邊緣檢測來檢測與指定鋪層路徑的偏差并即時(shí)糾正它們。此外，奧羅米希等人。 [ 13 ]和布拉辛頓等人。 [ 55 ] 近審查了 AFP 的檢查技術(shù)。
7 .商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
在壓力容器中采用 AFP 和 V 型技術(shù)的后一個(gè)重要考慮因素是其符合標(biāo)準(zhǔn)的能力。 COPV/CPV 的設(shè)計(jì)、制造和認(rèn)證有許多標(biāo)準(zhǔn)。許多都有自己的本準(zhǔn)，但 ISO（瑞士）、ASME（美國）和 EN（歐洲）標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)廣泛使用。梅爾等人。 [ [165]、[166]、[167]、[168] ]從安全性和有效性的角度廣泛研究了復(fù)合壓力容器法規(guī)。表 3列出了主要的復(fù)合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì) V 型儲(chǔ)罐和 AFP 的覆蓋范圍。對(duì)于公共領(lǐng)域之外無法訪問的標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)的公開摘要或描述中找不到的信息已被標(biāo)記為“未知”。一些相關(guān)的非現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也已納入其中。一般來說，這些標(biāo)準(zhǔn)未能充分涵蓋 V 型壓力容器和使用 AFP 的制造中一些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋無襯里（V 型）儲(chǔ)罐，從而可以驗(yàn)證燈絲是否為 V 型儲(chǔ)罐。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)主要是為涵蓋 IV 型船舶而編寫的，僅包含少量額外條款來封裝 V 型船舶，而不是具體和定制的設(shè)計(jì)、測試和認(rèn)證信息。就 ISO 11119-3 2013 和 2020 而言，無襯罐的工作壓力上限遠(yuǎn)低于 700 bar 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓力。在該標(biāo)準(zhǔn)中，IV型和V型儲(chǔ)罐的允許滲透率是相同的，這意味著無襯里儲(chǔ)罐必須達(dá)到與IV型儲(chǔ)罐中的襯里相同的低滲透性才能獲得認(rèn)證。沒有標(biāo)準(zhǔn)明確承認(rèn) AFP 是可接受的制造工藝。一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長絲纏繞和/或完全連續(xù)纖維作為要求。這實(shí)際上消除了使用 AFP 的能力，因?yàn)?AFP 工藝的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠合并不連續(xù)的纖維帶以實(shí)現(xiàn)局部加固。其他標(biāo)準(zhǔn)則更加含糊，并使用“纏繞”或“纏繞”等術(shù)語，暗示纖維纏繞，但沒有明確要求。一些標(biāo)準(zhǔn)還要求罐體是一體的。這限制了合規(guī)制造工藝的范圍，因?yàn)榭赡艿膬?chǔ)罐架構(gòu)較少。
8 . AFP 生產(chǎn)的 V 型壓力容器的新穎設(shè)計(jì)
考慮到所提出的文獻(xiàn)綜述的結(jié)果，AFP 制造的 V 型 CPV 的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，它將構(gòu)成未來實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)，并解決本次批判性綜述中發(fā)現(xiàn)的差距。悉尼新南威爾士大學(xué)復(fù)合材料自動(dòng)化制造 ARC 培訓(xùn)中心配備了具有熱固性和熱塑性塑料放置能力的 Automated Dynamics AFP 機(jī)器人以及協(xié)調(diào)主軸，使該中心能夠很好地開發(fā) COPV 和 CPV。
圖13 法新社提出了新型 V 型壓力容器概念。
圖 13描述了設(shè)計(jì)概念，該初始設(shè)計(jì)旨在解決與本次審查中確定的 V 型儲(chǔ)罐相關(guān)的制造挑戰(zhàn)。熱固性儲(chǔ)罐由兩半構(gòu)成，兩半在可折疊工具上分別制造并在粘合在一起之前進(jìn)行固化。這形成了無襯里的復(fù)合心軸，其上包裹有額外的連續(xù)層。將儲(chǔ)罐分成兩半生產(chǎn)，避免了使用可溶解的核心，并允許在大規(guī)模生產(chǎn)場景中同時(shí)制造每一半。的是，該坦克僅在一端使用地凸臺(tái)，另一端完全包裹。該功能具有減輕重量的優(yōu)點(diǎn)，并且只能使用 AFP 來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰z束脫落和穿過圓頂中心的纖維路徑，而使用長絲纏繞很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。沿著氣缸區(qū)域并入可變角度牽引以調(diào)整剛度。為了分析和優(yōu)化儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種新穎的 FEA 流程，將 CGTech VERICUT VCP（一種 AFP 編程軟件 [ 186 ]）鏈接到 ANSYS，以對(duì) AFP 鋪層進(jìn)行半自動(dòng)分析。
將這一概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的下一步包括定制可折疊工具的設(shè)計(jì)和制造以及原型罐制造測試。首先，兩個(gè)半容器的光纖路徑將使用 VERICUT VCP 進(jìn)行編程。然后，通過在可折疊工具上制作兩半并將它們粘合在一起（如圖13所示），制造原型容器，并嵌入光纖傳感器以進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。此步驟旨在驗(yàn)證工具設(shè)計(jì)和 AFP 光纖路徑編程。 3D 掃描將用于將零件的實(shí)際幾何形狀和厚度與計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行比較。在軸凸臺(tái)安裝和容器粘合后，將進(jìn)行靜水壓力測試，并使用嵌入式傳感器記錄應(yīng)變，以便與有限元預(yù)測進(jìn)行比較。完成初步工作后，容器將被穿過儲(chǔ)罐兩半的絲束包裹，以增加加固和壓力能力。外包裹纖維路徑將利用轉(zhuǎn)向纖維來創(chuàng)建可變剛度層壓板，這不僅是纖維連續(xù)性所必需的，而且充分展示了 AFP 相對(duì)于纖維纏繞的優(yōu)勢。后，將進(jìn)行減少滲透、更、更準(zhǔn)確的模擬以及改進(jìn)的工具設(shè)計(jì)方面的研究，以推進(jìn)該項(xiàng)目。
9 .結(jié)論
這篇批判性評(píng)論總結(jié)了 IV 型和 V 型復(fù)合壓力容器的當(dāng)前進(jìn)展，并討論了與其開發(fā)進(jìn)展相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，還討論了使用 AFP 作為替代傳統(tǒng)纖維纏繞的制造工藝。纖維纏繞受到多種限制，降低了其靈活性，包括需要纖維連續(xù)、無法在沒有纖維橋接的情況下纏繞凹面以及由于摩擦限制而導(dǎo)致非測地路徑能力小。 AFP 可以通過其選擇性強(qiáng)化和增值稅功能來解決這些限制，從而有可能進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)。然而，AFP 在壓力容器上的現(xiàn)有應(yīng)用通常于太空應(yīng)用的火箭級(jí)儲(chǔ)罐。需要進(jìn)行額外的工作來解決 AFP 頭的較大物理尺寸對(duì)較小的汽車和航空航天規(guī)模容器造成的干擾。V型壓力容器目前面臨著制造工藝和透氣性降低方面的挑戰(zhàn)。為了生產(chǎn)無襯里容器，必須移除內(nèi)部敷層工具。水溶性芯通常用于此目的，但可能不適用于所有設(shè)計(jì)并且不可重復(fù)使用。堅(jiān)固的內(nèi)部可折疊工具已在較大規(guī)??模的儲(chǔ)罐上得到驗(yàn)證，但在較小的儲(chǔ)罐上卻沒有得到證實(shí)，因?yàn)殚_口尺寸減小，內(nèi)部通道也很困難。其次，需要進(jìn)一步了解和減少復(fù)合層壓板的氣體滲透。復(fù)合材料層壓板中基體微裂紋的存在對(duì)其氣體阻隔性能有顯著影響。雖然主要通過薄層材料和納米改性來降低滲透性的機(jī)制已在樣品水平上得到證實(shí)，但仍需要進(jìn)行系統(tǒng)水平評(píng)估。此外，AFP 對(duì)滲透性的影響尚未得到廣泛研究。COPV/CPV 制造的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)過審查，突出了 AFP 生產(chǎn)和 V 型船舶的覆蓋范圍差距。隨著這些技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該更新以保持與新技術(shù)的相關(guān)性。引入 V 型技術(shù)和 AFP 制造對(duì)成本的影響還需要進(jìn)一步的工作，但是，與 FW 相比，AFP 中材料使用量的減少所帶來的成本節(jié)約已在原型設(shè)置中得到證明。后，介紹了 AFP 生產(chǎn)的 V 型壓力容器的新穎設(shè)計(jì)。未來的工作將包括使用這一概念的 AFP 進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、材料級(jí)測試和原型制造，以解決現(xiàn)有的技術(shù)挑戰(zhàn)。
本文來源；A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based
