TOP期刊综述《Part B》：V型复合材料压力容器及其自动铺放工艺

一、引言

氢气是未来全球实现节能减排及气候目标的重要能源载体，但氢气储存在当前阶段仍然是大问题。储氢在航空航天和汽车等重量要求严格的领域中尤其具有挑战性。目前，气态储氢是全球领先的储氢形式，但由于氢气是最轻的元素，必须保持在非常高的压力下才能达到实用的密度。为了应对这一挑战，碳纤维复合材料压力容器（Composite Pressure Vessels，以下简称CPV）应运而生。

碳纤维的高强度使得储罐重量更轻，重量储存密度更是钢制储罐的四倍以上。在现有的压力容器中，IV型容器因其重量轻、储存密度高而备受青睐。丰田Mirai和本田Clarity等氢燃料电池电动汽车就采用了这种容器。而更先进的V型容器更是取消了内部内衬，使复合材料既作为气体屏障又作为承载结构，从而提高了疲劳性能，并有望实现更大的减重效果。然而，这些先进技术的商业应用还面临诸多挑战。为此，研究者们正不断探索新的制造方法，如自动化纤维铺放技术，以改进COPVs/CPVs的设计。氢气作为能源载体具有巨大潜力，但储存技术的挑战也不容忽视。

近日，TOP期刊《Composites Part B》发表了澳大利亚新南威尔士大学机械与制造工程学院先进复合材料自动化制造ARC培训中心在V型复合压力容器及基于自动纤维铺放（Automated Fibre Placement，简称AFP）制造工艺方面的研究。该文章介绍了行业标准IV型容器的关键工作，以及V型CPV技术的当前状态，包括制造发展、挑战、成本以及使用AFP的未来制造解决方案。此外，还提出了一种新型AFP生产的V型CPV设计概念。论文标题为“A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing”。  

二、研究内容及方法

1.IV型压力容器和V型压力容器的现有工作

III型和IV型型压力容器具有全复合材料外包层，并得到了广泛的研究和商业应用。IV型压力容器作为研究的重点，已发表的研究内容主要聚焦于材料、数学理论以及实验数据等方面。然而，对于极孔和衬里的设计或结构健康监测的研究仍显不足。相比之下，V型容器的研究早在20世纪80年代就已开始，但现有的文献却相对有限。部分研究者设计制造了多种尺寸的V型测试容器，并评估了它们的氦气渗透性和机械性能。其中，部分设计实现了15%的存储容量增加和25%的质量减少，展现了其优越性。

表1总结了目前IV型压力容器相关的工作总结。

图 1. 五种常见的压力容器。  

表1 IV 型压力容器以往工作总结。

2.采用纤维缠绕的传统制造

除了少数用于空间应用的燃料罐外，大多数压力容器都是采用长丝缠绕制造的。这种工艺自20世纪40年代开始使用，虽然它以精确、自动化和低成本而闻名，但它有几个缺点（图2），可能会限制其灵活性和优化潜力。

（1）纤维缠绕使纤维在放置过程中保持张力，因此只能环绕凸面，对于凹面结构表面会导致纤维桥接。因此，压力容器两端需要安装金属BOSS，以便纤维带缠绕绕行并在到达圆顶末端时返回。这些金属嵌件使设计变得复杂并增加了质量。

（2）纤维带在整个缠绕过程中要求连续，不能剪断纱线，这会导致极地周围积累过多的铺层厚度。基本壳理论假设在该区域不适用。此外，还需要对两极圆顶和圆柱筒段之间进行补强设计，圆顶与圆柱区域的厚度和容器几何形状相关。

（3）当纤维受到张力时，会自动对齐测地线路径。为了实现非测地线路径缠绕，需要摩擦力来防止防止纤维打滑。因此，非测地线缠绕能力仅限于可用摩擦力，从而限制了设计空间。  

图 2. 使用纤维缠绕制造压力容器的局限性。

3.自动化纤维铺放 

自动铺丝（AFP）和自动铺带（ATL）是机器人复合材料制造技术，被认为是目前最先进且应用最广泛的自动化复合材料制造方法。ATL能在高速下将宽纱带（通常为75-300毫米）铺设在相对简单的表面上，因此适用于大型开放模具，如飞机机翼蒙皮制造。然而，由于宽纱带容易产生褶皱，它在复杂轮廓或内部几何形状上的表现较差。为了克服这些限制，引入了AFP技术，其开发始于20世纪80年代。AFP使用的纱束比ATL更窄（通常为3.175-12.7毫米），并结合了细丝缠绕和ATL的元素，允许在弯曲表面上放置并改变纤维的方向。然而，这种灵活性往往以牺牲铺设速度为代价。AFP工艺相比细丝缠绕和ATL的一个显著优势是其能够进行纱束转向。纱束转向涉及将纤维放置在非测地线上，以实现表面的全覆盖，并实现优化和可变的刚度。在AFP工艺过程中（如图3所示），输入的纱束从一组线轴上输送到压实滚轮。对纱束进行加热，并通过滚轮压实，以促进与现有层的粘附。在一段纱束结束时，用刀片切断纱带，然后可以重新开始该过程。大多数AFP机器人可以同时放置多个纱束。  

图 3. 自动纤维铺放过程。

3.1.AFP在压力容器中的应用

自动纤维铺放技术在压力容器制造领域的应用一直备受关注。美国能源部的氢计划就对使用AFP制造的IV型压力容器进行了研究，这种方法可以为容器圆顶区域提供选择性加固，同时避免在圆柱体上添加多余材料。在NASA和波音公司的合作项目中，使用AFP制造的碳纤维/环氧树脂储罐相比传统铝锂罐，重量和成本分别降低了25%和30%。此外，激光辅助铺带技术也应用于COPVs/CPVs的制造中。然而，尽管AFP在压力容器制造领域具有潜力，但其应用仍面临一些挑战。目前，大多数研究都集中在大型储罐上，对于汽车应用等较小规模的储罐，长丝缠绕设备的规模可能不切实际或无法满足设计要求。

图 4. AFP 制造的 5.5 m 直径低温罐。

图 5.2.4 m 储罐铺设工具。

3.2.AFP 对压力容器的潜在好处

自动铺丝技术能够生产非测地线路径和转向路径，为纤维铺层带来了更大的优化空间。此外，AFP技术的另一个关键优势是选择性增强，可以直接解决压力容器的缺陷。已有研究表明自动铺丝技术可减少所需复合材料数量近10%，爆裂压力提高29%，并将破坏位置从穹顶转移到气缸，提升了安全性。自动纤维铺放技术以其独特的优势，为纤维铺层带来了更多的优化可能，未来有望为压力容器的设计制造带来更多创新和突破。

图 6. 不同纵横比圆顶的无弯曲纤维角度映射。  

图 7. 圆顶中的垫布加固示意图。

3.3.AFP应用于压力容器的挑战

自动铺丝（AFP）技术相比长丝缠绕不够成熟，商业应用较少。AFP部件质量受多变量影响，如滚筒大小需与部件曲率匹配，以保证丝束压实。不匹配会导致铺放精度下降，丝束滑移或桥接等缺陷。常见缺陷包括丝束间的间隙和重叠，影响区域厚度和强度。孔隙率也是AFP层压板的一个重要缺陷，孔隙率增加会降低层间剪切强度。AFP加工参数，如压实力和温度，显著影响孔隙含量。

图 8. 常见的 AFP 缺陷。

AFP在压力容器制造中面临物理限制挑战，如AFP头部尺寸大，可能碰撞。在火箭级储罐中问题较小，但小储罐需要更快速的头部移动。AFP铺层速率受几何形状复杂性影响，简单形状可达每小时150公斤，复杂形状需降低速度。长丝缠绕受此影响较小。这些挑战可通过数字孪生技术深入了解AFP过程来解决。  

图 9. 小直径压力容器的激光辅助自动铺丝制造（左）和典型的热固性 自动铺丝头（右）。

图 10. 复杂的Y 形管状几何形状难以使用AFP。

4、V型压力容器发展领域

IV型压力容器技术已经成熟，并在商业应用中得到积极应用。然而，V型压力容器目前的技术成熟度较低。在V型压力容器得到大规模应用之前，有两个挑战领域需要解决：制造工艺和渗透控制。

4.1. 制造工艺

在纤维缠绕和自动纤维铺放（AFP）工艺中，芯模用于缠绕纤维。II-IV型储罐使用内部衬里作为芯模，完成后保留在容器内。V型储罐需移除芯模以实现无内衬设计，传统方法使用可溶性芯模，如沙子、石膏和PVA。但这些芯模因材料兼容性和溶解难度存在限制。

4.2. 渗透

FRP层压板对多种气体，特别是氢气，具有高渗透性，因其分子小、运动粘度高。这限制了无衬里压力容器在低压操作和液氢存储中的应用。AFP/ATL制造的层压板渗透性更高。气体通过基体中的微裂纹逃逸，形成“通道”。微裂纹引起的泄漏远高于扩散引起的泄漏。渗透性受多种因素影响，但材料性能变化影响不大。裂纹虽不会直接导致容器失效，但可能恶化机械性能。了解裂纹形成及其对储罐性能的影响对设计人员至关重要。

图 11. (a) 泄漏机制和 (b) 由于交叉基体微裂纹而产生的详细机械泄漏机制。

气体泄漏率随机械应变、裂纹密度和温度降低而增加，随裂纹交叉角变化而变化。铺层顺序、复合材料织物类型也影响渗透率。已有研究发现热固性和热塑性复合材料的渗透率相似。ATL层合板中的微裂纹、脱粘等不连续性导致变异系数显著。

5.材质及材质强化

5.1. 压力容器制造所用材料

复合压力容器通常使用碳、玻璃或芳纶纤维增强，但碳纤维因其高强度和刚度特性而最常用。单向纤维因其与纤维缠绕（FW）和自动纤维铺放（AFP）兼容，并提供沿纤维方向的最高强度，因此应用广泛。纤维的尺寸效应影响容器性能，强度随组件尺寸增加而降低。纤维体积分数（FVF）的增加提高了环向层的破坏应变，直接影响破坏压力。

基体材料：大多数COPVs/CPVs设计使用热固性基体，尤其是环氧树脂。乙烯基酯树脂因其较低密度和较高爆破压力而受到关注。基体材料对储罐的热机械性能有重要影响，特别是在氢气应用中，快速填充可能导致大的温度变化和热力学应力。热塑性材料因其断裂韧性、可焊性和可回收性等特点，更适用于V型储罐。AFP和FW均可与热固性或热塑性材料一起使用。但热塑性容器的制造，如使用激光辅助铺带（LATP），面临温度控制和分布的挑战。

固化：固化周期对复合压力容器的最终性能至关重要，尤其是对V型CPV而言，固化周期影响微裂纹的形成。无应力温度的偏差会引起热应力，导致微裂纹，增加气体渗透性。复合压力容器可采用多种固化技术，如热压罐和热压罐外（OoA）加工。OoA固化通常用于大型储罐，如航空航天应用中的火箭或飞机规模储罐。湿式缠绕是最受欢迎和最具成本效益的技术，而干式缠绕和干纤维AFP仍处于开发初期阶段。

5.2. 材料增强以减少渗透

文章介绍了一些流行的材料改性方法。

使用薄层材料改进：薄层复合材料的单层厚度小于典型材料。Hamori等人评估了薄层复合材料降低渗透率的效果，使用0.06mm单层厚度，发现在相同应变下，薄层样品对氦气的渗透率显著降低。Kumazawa等人认为这是由于裂纹减少和基体交叉点增加引起的。

图 12. 在液氮温度下淬火的层压板的光学显微照片

使用纳米材料进行改进：纳米改性和增韧是减少复合材料中微裂纹的另一种方法。树脂纳米改性可有效减少微裂纹和渗透，如断裂韧性，但主要集中在环氧树脂体系的改进上。AFP与传统手工铺层相比，存在常见缺陷，技术成熟度较低。

6.成本

复合材料压力容器的成本是能否工程应用的关键因素。IV型压力容器制造主要使用纤维缠绕工艺，被视为经济实惠的复合材料制造技术。V型和AFP技术的成本效益需要详细比较。阿泽姆等人提供了I-IV型压力容器每升的成本比较，指出IV型价格最高。Hua等人建立了IV型储罐的成本模型，发现成本随存储压力变化，但碳纤维材料构成大部分成本。孙等人分析了III型氢气罐的成本，发现材料成本与存储压力呈非线性关系。优化成本的运营压力为500-550 bar。AFP的成本效益尚未详细研究，但其适合大型部件的高叠层率。美国能源部氢计划评估了FW与AFP/FW混合方法的成本，发现AFP可以降低成本并减少材料使用。

7.商业标准

在采用自动化纤维铺放（AFP）和V型技术时，需考虑其是否符合标准。复合材料高压瓶/复合材料压力容器（COPVs/CPVs）设计、制造和认证涉及多种标准，如ISO、ASME和EN。Mair等人研究了这些法规，表3列出了主要标准及其对V型储罐和AFP的覆盖。

表3复合材料压力容器商业标准。  

8.AFP生产的V型压力容器设计

悉尼新南威尔士大学的ARC先进复合材料自动化制造培训中心提出了基于AFP机器人的COPV和CPV设计制造概念。设计理念解决了V型储罐的制造挑战，其中热固性储罐由两个半体构成，分别制造并固化后粘合，形成无内衬复合芯轴。半体生产避免使用可溶性芯，支持大规模生产。储罐单端使用凸型BOSS，另一端完全包裹，具有一定减重优势。采用可变角度铺丝来调整刚度。

图 13. AFP 生产的新型 V 型压力容器概念。

三.总结

文章总结了IV型和V型复合压力容器目前的进展，讨论了其发展过程中的主要挑战。此外，还讨论了使用AFP作为制造工艺来替代传统的丝束缠绕工艺的可能性。丝束缠绕工艺受到一些限制，降低了其灵活性，包括纤维需要连续、无法在凹面周围缠绕而不产生纤维桥接，以及由于摩擦限制而具有最小的非测地线路径能力。AFP可以通过其选择性增强和VAT能力解决这些限制，有可能进一步优化复合压力容器的设计。然而，AFP在压力容器上的现有应用通常仅限于太空应用的火箭规模储罐。需要进一步的工作来解决AFP头部较大物理尺寸对较小汽车和航空航天规模容器的干扰。

V型压力容器目前在制造工艺和气体渗透性降低方面都面临着挑战。水溶性型芯模并不适用于所有设计，且不可重复使用。固态、内部可折叠的芯模难以应用于较小的储罐上。其次，需要进一步了解和减少气体通过复合层压板的渗透。复合层压板中基体微裂纹的存在对其气体阻隔性能有重要影响。虽然部分试样级试验展示了可以通过薄层材料和纳米改性来降低渗透性的机制，但仍需要进行系统级别的评估。此外，AFP对渗透性的影响还没有得到广泛的研究。

原始文献：

Alexander Air, Md Shamsuddoha, B. Gangadhara Prusty,A review of V型 composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing,Composites Part B: Engineering,Volume 253,2023,110573,

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110573.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823000768

责任编辑：复小七

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