Type IV 复合缠绕压力容器：材料、工艺与未来发展全景解析

今天我带大家一起阅读一下这篇文章；本文围绕V型高压容器展开，阐述其在氢能运输中的重要性，分析开发面临的制造复杂性与气体密封性挑战，介绍初步研究成果及未来发展方向，以推动其在汽车等领域的应用。01摘要氢气成为实现无化石燃料运输的关键要素，为传统化石燃料提供了可持续的替代品，并显著减少了对环境的影响。本报告概述了采用碳纤维复合材料的尖端V型高压容器的开发，旨在应对与无衬氢压力容器相关的挑战。目前的研究重点是解决两个主要挑战，即储罐的制造复杂性和密封性。彻底解决了储罐的制造复杂性，涵盖了各种可拆卸心轴技术，并进一步引入了一种新颖的整体心轴技术，该技术具有碳纤维增强聚合物（CFRP）结构。另一个重大挑战是确保没有聚合物衬里的储罐的密封性。本文详细解释了这个问题，并讨论了无衬里、密封罐结构的各种解决方案。虽然V型压力容器在重量和存储容量方面具有优势，但它们与汽车应用的集成需要解决制造复杂性、密封性、材料兼容性和成本效益问题。通过克服这些障碍，氢能汽车中V型油箱在运输领域的全部潜力得以实现，从而促进可持续的交通解决方案。011介绍汽车行业正在整合未来主义研究，并专注于可持续性、自动驾驶、智能连接以及电动和氢动力汽车。氢燃料电池汽车的发展可以提高运输部门的安全性、效率和可持续性。根据《2023年全球电动汽车展望》报告，2022年氢能汽车的数量增加了40%[1]。尽管氢气提供了清洁能源和高能源效率，但为了完全替代化石燃料，安全和紧凑的储存是一个需要考虑的重要因素。作为DigiTain研究项目的一部分，正在开发一种符合欧盟第134号法规的高压氢复合外包装压力容器[2，3]。轻型高强度压力容器广泛应用于航空、航天、交通等各个领域。几十年来，各种类型压力容器的演变一直是研究的重点[4]。初始版本（I-III型）中含有重要的金属成分。I型完全由金属制成，II型是金属，带有复合箍包裹，III型完全复合包裹在金属衬里上。在IV型的情况下，燃料储存在塑料衬里中，该衬里也用作纤维缠绕过程的心轴。最新的V型技术提供了仅由CFRP制成的水箱。金属结构的主要挑战是重量。此外，氢脆问题在大多数金属中也普遍存在，这会导致储罐降解[5]。复合材料储罐克服了这些挑战，提供了轻质结构，但面临着自身的局限性，如基体微裂纹[6,7]。最新类型的压力容器是V型复合压力容器，它提供完整的基于碳纤维增强聚合物（CFRP）的储罐结构。图。图1说明了五种不同的压力容器。图1.各种类型的压力容器几位研究人员正在研究V型坦克的开发。1999年，Meyer等人制造了无衬里储罐，用于太空应用中的低温流体储存[8]。虽然结构没有泄漏或微裂纹，但由于空心砂心轴的坍塌，水箱出现了皱纹。同样，Mallick等人在2004年报道了用于太空应用的无衬里储罐的开发，重点介绍了抗裂材料的开发和失效分析[9]。然而，在现有文献中，V型压力容器在汽车行业的应用非常有限。Hassan等人详细讨论了各种类型的压力容器，并详细阐述了当前情景中的研究趋势[10]。Air等报道了使用自动纤维铺放技术设计和制造V型压力容器[11,12]。该储罐有几个泄漏点，因此静水压力要低得多，但它为制造压力容器奠定了基础。本报告重点介绍了开发用于汽车应用的V型压力容器所涉及的重大挑战。022项目DigiTain项目旨在开发数字产品开发模型，以展示可持续架构[3]。该计划的主要组成部分之一是开发700bar储氢压力容器。V型压力容器通过非常高的强度重量比展示轻量化设计和高车辆效率，预计将对氢经济产生重大影响。然而，V型压力容器的开发带来了一些挑战[13]。一些重大挑战是（a）氢兼容性（b）耐用性和抗疲劳性（c）合规性（d）考虑材料、制造和系统集成的成本效益;特别适用于汽车应用（e）气体渗透和（f）制造复杂性。气体渗透和制造复杂性是主要挑战，本文将详细讨论022.1制造复杂性引入无衬里设计增加了V型油箱的制造复杂性。如果没有内衬，储罐材料本身必须满足强度、渗透性和与氢气相容性的要求。为了制造储罐结构，心轴对于提供形状和尺寸至关重要。心轴是一种用作核心的结构，材料围绕其包裹以在末端获得复合结构。V型水箱通常使用可拆卸的心轴来制造水箱[14,15,16]。这些材料由沙子或石膏制成，有时由3D打印材料制成。这些心轴被广泛开发，用于在后固化罐中去除。但是，它们面临某些限制。首先，很难在后固化时去除完整的材料，尤其是对于具有较小极性开口的几何形状。其次，砂基心轴是根据水箱的特定几何形状制造的。因此，它们的价格很高，尤其是对于研究生产。即使对于后来的批量生产，心轴的成本也是针对汽车应用的一个重要因素。第三，3D打印树脂材料的熔融温度大多低于外包装丝束的固化温度。因此，心轴在储罐固化过程中会分解。最后，另一个主要挑战是可拆卸心轴的阻隔膜或涂层的限制。上面列出的这些限制为开发新的心轴概念提供了研究机会。因此，该项目引入了一种新的整体心轴技术，该技术由CFRP制成心轴，并且不需要从水箱中取出。与IV型压力容器相比，这种心轴有望在油箱中充当部分承重结构，并减少外包装层的总数，从而展示出汽车行业的减重潜力。此外，这可能是一个具有成本效益的过程，因为它是用可重复使用的金属模具制造的。最后，由于心轴消除了沙子、石膏或可移动材料的使用，因此它可以成为一种可持续的解决方案，鼓励低浪费。因此，鉴于这些主要优势，整体心轴已被研究为V型水箱开发的替代技术。本文讨论了在这个方向上所做的初步调查。心轴的详细研究和开发在今后的研究范围内。022.2气体渗透无内衬的V型压力容器的主要问题之一是由于没有像IV型储罐那样的聚酰胺基内衬，氢气会渗透到罐外[17,18\u201219]。这可能导致储存的气体量损失，并带来潜在的安全风险。因此，V型压力容器确保安全高效地储存氢气是一项关键挑战。氢是最小、最轻的分子，有可能渗透到各种材料中。图2说明了泄漏路径的形成和随后通过复合材料的燃料损失。车辆的行驶里程在很大程度上取决于压力容器中储存的氢气的数量和压力。因此，需要小心避免过早泄漏和结构退化，尤其是在没有衬垫的情况下。储罐结构需要确保氢气在承受高压和环境负荷的同时不会渗出。因此，在设计压力容器时牢记这些标准是开发过程中的关键步骤。图2.氢分子往往会从压力容器的复合壁中泄漏出来。微裂纹是由于循环加载而形成的，它们往往会通过这些微裂纹形成泄漏路径，从而导致气体泄漏。033初步调查和结果033.1心轴的设计初步模型是使用MefexGmbH的μwind软件设计的[16]。该模型的开发考虑了DigiTain项目框架内所需的安装空间和尺寸。层压板厚度确定为8.55毫米。罐的内径为135mm，圆柱体长度为1050mm，如图1所示。3.建模采用T70024K碳纤维的牵引预料。主要目标是确保结构没有纤维故障。初步评估表明，该设计可以承受1400bar的爆破压力而不会发生纤维故障，如图1所示。4.进一步的评估将集中在纤维间故障上，因为考虑到没有衬垫，这在V型油箱开发中更为重要。考虑到当前的设计设置，该计划包括使用最初的两个环状层作为CFRP管，将CFRP圆顶连接到其上，然后从第三层开始外包装。图3.1400bar压力容器的尺寸根据基于安装空间的设计。图4.使用μwind软件通过解析方法计算沿储罐几何形状的应力分布，红线表示数据表中的材料强度。033.2生产试验整体心轴分为三个不同的部分，一个长管状CFRP部分和两个圆顶帽。金属凸台通常设计为与外部管道和阀门连接相匹配。它们连接到圆顶帽上。心轴开发和后续储罐制造的制造步骤如图1所示。5.图5.基于CFRP的心轴开发的制造流程图。圆顶盖和管子与凸台粘合在一起，然后在结构上进行纤维缠绕，然后固化以获得完整的储罐结构。CFRP管使用铝合金制成的金属工具。这种金属工具为成品复合结构的内部轮廓提供了精度。CFRP管是通过在这种金属工具上缠绕towpreg获得的。固化后，将细复合管从金属工具上取下。金属工具由AlMgSi0.5制成，平均粗糙度（Ra）为1μm。这里使用的牵引袋由Kümpers的24kT700牵引袋制成[20]。该管材是使用RothCompositeMachineryGmbH的机器人纤维缠绕机制造的[21]。CFRP圆顶帽圆顶帽由薄的复合材料部件组成，使用3D打印工具进行初步调查。工具的内表面衬有硅胶，便于拆卸复合部件并提供更好的表面光洁度。常规且易于使用的斜纹编织（2X2）纤维和环氧树脂系统用于初步研究（EpikoteRIMR426和固化剂RIMH435）。它们可实现常温固化系统和中低粘度。斜纹编织纤维提供悬垂性，即符合不同三维形状的能力，这有助于制造圆顶形零件。该工具旨在为圆顶帽提供完整的外部形状。图6显示了工具的CAD设计和用于制造的实际工具的图像。该工具分为两部分，使用螺钉连接，固化后更容易拆卸复合部件。图6.为制造圆顶帽而设计的工具的CAD详细信息。（a）显示了所连接工具的两个部分，（b）显示了工具的内表面，带有用于凸台连接的槽和用于管道连接的狭缝。（c）和（d）显示工具的实际图像在这些初步调查中应用了一种简单的手部上篮技术。放置干燥的纤维，用刷子涂抹树脂;随后使用手辊来确保树脂分布均匀并获得所需的厚度。图7说明了用于制造圆顶的过程。为避免复合材料部件中出现空隙，在固化过程中在模具上方进行真空袋装。图7.使用3D打印工具制造圆顶帽的手糊工艺。初步调查提供的结果对于进一步验证至关重要。由于采用了金属可拆卸工具，CFRP管具有精确的几何形状和表面光洁度。由于采用了可重复使用的金属工具，该工艺是可持续的。该技术是可重复的，因为几何图形是可重复的。图8显示了通过在金属工具上细丝缠绕制造的CFRP管样品。图8.CFRP管通过在金属工具上缠绕towpreg制造。关于圆顶帽，制造试验的初步结果表明存在一些局限性。首先，使用手糊制造圆顶结构在技术上很复杂，因此需要大量的劳动密集型方法。使用更高级、更简单的技术是必不可少的，例如RTM。其次，用于凸台连接的槽需要在圆顶帽上打孔，并且使用目前使用的技术很难制造带孔的圆顶帽。第三，复合材料部件的可重复性似乎具有挑战性，因为手糊技术在几何方面的精度较低。图9（a）显示了制造时的圆顶帽图像。图9（b）显示了CFRP圆顶帽和管的组装。图9.初步调查中制造的CFRP整体心轴组件的图像（a）使用手动铺层技术制造的圆顶帽的图像。（b）使用缠绕在金属工具上的预浸料制成的CFRP管，圆顶帽连接在两端，以说明基于CFRP的整体心轴概念。整体式CFRP心轴的初步试验已经完成。心轴的管状部分是通过缠绕制造的，因此是一个很有前途的解决方案。然而，圆顶帽是复杂的复合部件，因此在可重复和精确制造方面存在局限性。下一步可能涉及使用不同的技术，例如树脂传递模塑（RTM）来生产圆顶帽。此外，增材制造在这方面也提供了许多优势，特别是对于生产圆顶帽等复杂设计。改进的步骤可能是3D打印的圆顶帽结构与CFRP管集成，以生产最终的心轴。然而，3D打印部件需要耐高温，以免在最终储罐固化过程中分解。3.3气体通过罐壁气体渗透的挑战是V型压力容器在没有衬垫的情况下的一个重要因素。整体心轴有望为罐卷绕提供结构稳定性，并减轻氢气通过罐壁的渗透。从结构角度来看，纤维定义了整个复合材料的应力和应变极限。而泄漏分量由复合材料的基体部分定义。正如Sect.2.2、复合材料受罐体工作压力，易形成微裂纹。此外，树脂系统需要将层压板固定在一起，以避免罐中复合材料结构分层。因此，必须对树脂体系进行增韧，使其在700bar的工作压力下具有抗裂性[22,23]。使用内部扩散测试装置在样品水平上分析气体渗透，如图1所示。10.此设置要求样品厚度在1mm以内且尺寸小于50mm，并且在测试前需要完全干燥48小时。由于样品的泄漏与压力有关，因此样品仅承受4bar的低压，但材料特定的渗透特性不会受到其显着影响。测试装置使用氦气而不是氢气对样品进行初始测试。它们都具有相似的分子尺寸，并且氦气不易燃、惰性和非反应性。此外，氦气在环境中并不常见，因此检测精度很高。图10.显示内部渗透测试设置的示意图。心轴由CFRP组件组成，由于V型是无衬里设计，因此心轴本身应确保水箱是密封的。因此，必须评估其渗透特性。0.8mm厚的平面层压板样品是使用四层斜纹（2x2）预浸料的真空辅助固化制成的。测量24小时，并在4bar氦气的压力下对使用用于圆顶帽制造试验的样品斜纹CFRP预浸料制备的样品进行测量。相对于时间（以小时为单位）的泄漏率绘制在图11中。图11.CFRP样品的泄漏率在24小时内随时间测量。渗透是材料的一种特性，使用方程1根据实验获得的泄漏率进行评估。(1)在方程（1）中，P是渗透率，Q是通过实验得到的泄漏率，d是样品的厚度，\（\Deltap\）是样品两侧气体的压力差，A是样品与气体接触的表面积[24]。获得的最大磁导率值为4.14x10–14mm2/s，由于存在纤维，该值低于衬垫样品的磁导率值，但随着树脂中微裂纹的形成，预计磁导率会恶化[19]。复合材料的气体泄漏一直是一个被广泛分析的话题，可以确定各种原因。首先，扩散是指气体分子渗入树脂系统。其次，吸附可能是气体分子附着在表面并随着时间的推移改变机械性能的另一个因素。这可能导致气体进一步渗透到复合材料中。第三，也是最重要的原因可能是微裂纹的形成。它们是由机械、热和环境应力引起的，并导致形成泄漏路径[25]。因此，无衬板油箱结构需要对阻隔层进行大量加固。这种屏障可以通过改性树脂或通过编织层集成到复合材料中，如Cronin等人[26]的专利所示。另一方面，它也可以是可以减少气体渗透的薄涂层材料。使用整体心轴的密封罐的进一步步骤可以是将阻隔层作为箔集成到心轴级别的CFRP结构中。总体总结是，开发具有密封结构的V型水箱仍需要广泛的研究。044结论和批判性讨论V型压力容器是储氢技术的突破性进步。它们与IV型容器的不同之处在于消除了内部聚合物气体屏障。相反，V型船舶使用碳纤维层压板来提供必要的结构特性并防止气体泄漏。值得注意的是，V型船舶已在运载火箭和航天器应用中得到应用，由于其高强度重量比和由于没有衬垫而增加的容量，现在正在成为在汽车应用中实现轻质和高效燃料存储的有前途的解决方案。本文介绍了开发用于汽车应用的V型压力容器的各种障碍。该讨论深入探讨了两个主要限制：制造复杂性和气体渗透性，并提供了对每个方面的详细见解。本文提出了一个整体心轴概念，其中基于CFRP的结构用作心轴，可以在其上进行纤维缠绕以获得完整的罐结构。这种心轴提供了额外的承载能力，因此预计外包装层的数量将减少。其次，与基于沙子或石膏的可拆卸心轴相比，基于CFRP的结构有望提供成本效益，为低成本的大规模生产铺平了道路。最后，将心轴结构集成到储罐设计中具有可持续性和减少浪费的潜力，因为它简化了制造流程和材料使用。预计整体心轴将提供上述功能优势，因此具有集成到汽车行业的潜力。已经进行了初步调查以评估整体心轴的制造过程，随后的分析旨在预测储罐的渗透行为。渗透性评估显示，样品在24小时内可检测到泄漏，突出了加入渗透阻挡层的必要性。总之，应对高压V型氢气罐的挑战对于推进汽车应用至关重要，需要在材料、渗透控制和安全标准方面进行创新，以支持氢气在无化石燃料运输中的作用。055未来范围展望未来的进步，整体心轴的进一步发展空间很大。虽然已成功获得管状结构，但圆顶帽结构存在一些制造限制。可能的下一步可能涉及利用不同的技术，例如树脂传递模塑来制造圆顶帽。此外，还可以采用增材制造来获得3D打印的圆顶帽。对复合心轴的渗透研究表明需要增强阻隔性能。一种方法可能涉及对树脂进行改性，使其具有固有的阻隔特性。在这个方向上，可以将石墨烯等可以阻止泄漏的纳米材料添加到环氧树脂中，然后在样品水平进行渗透分析。或者，将一层薄阻隔膜集成到心轴的结构中可以确保完全的密封性。金属箔可以提供完整的阻隔措施，防止燃料泄漏，但将它们集成到管状油箱壁结构中需要大量的研发工作。总之，通过创新的制造技术和增强的阻隔性能来推进整体心轴对于克服当前挑战和提高V型氢气罐的性能至关重要。来源：气瓶设计的小工程师