氫氣正作為未來具有廣闊前景的能源介質(zhì)在多個(gè)行業(yè)中嶄露頭角。在移動(dòng)應(yīng)用中，氫氣通常以氣態(tài)形式儲(chǔ)存在高壓復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPVs）中。目前最先進(jìn)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(qiáng)度并防止氣體泄漏。在高壓條件下實(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)空間的約束條件。自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）是一種高度靈活的機(jī)器人復(fù)合材料制造技術(shù)，具有取代纖維纏繞技術(shù)用于復(fù)合材料壓力容器制造的潛力。此外，一種新型的V型CPV設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)政府間氣候變化專門委員會(huì)防止全球變暖超過工業(yè)化前水平1.5°C的目標(biāo)，全球正采取措施減少碳排放。氫氣作為能源載體被視為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。然而，氫氣的儲(chǔ)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(chǔ)存氫氣，需在極高壓力（350-700 bar）下實(shí)現(xiàn)。常見方法是在碳纖維復(fù)合材料壓力容器中儲(chǔ)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(jiǎn)單，是當(dāng)今使用最廣泛的類型。II、III和IV型容器被統(tǒng)稱為復(fù)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(chǔ)密度，廣泛應(yīng)用于地面運(yùn)輸領(lǐng)域。著名的氫燃料電池電動(dòng)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(shè)有極開口，并配有極凸臺(tái)，凸臺(tái)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(tái)通常與內(nèi)襯集成在一起，而在IV型和V型容器中，凸臺(tái)則是單獨(dú)的金屬或復(fù)合部件。由于IV型容器在許多行業(yè)中應(yīng)用廣泛，成為了深入研究的重點(diǎn)。然而，最新的復(fù)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(fù)合材料不僅作為承載結(jié)構(gòu)，也同時(shí)作為氣體屏障。由于無襯里設(shè)計(jì)消除了襯里與復(fù)合材料之間的應(yīng)變相容性問題，從而提升了疲勞性能，并可能實(shí)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(shí)現(xiàn)。盡管該技術(shù)功能強(qiáng)大且成熟，但仍存在一些固有的局限性。通過采用更先進(jìn)的制造方法，如自動(dòng)纖維鋪放（AFP），可以進(jìn)一步優(yōu)化COPV/CPV的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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(chǔ)罐的可靠替代品之前，商業(yè)化應(yīng)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(jì)80年代，航空航天行業(yè)就開始對(duì)V型壓力容器進(jìn)行研究。雖然許多研究團(tuán)體已開發(fā)出用于商業(yè)應(yīng)用或工業(yè)研究的V型儲(chǔ)罐，但目前可供嚴(yán)格審查的同行評(píng)審文獻(xiàn)仍然非常有限。以下是幾項(xiàng)有關(guān)V型CPV設(shè)計(jì)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(cè)試容器，并評(píng)估了它們的氦氣滲透性和機(jī)械性能。與同等的I型儲(chǔ)罐相比，某一設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)容量增加了15%，而質(zhì)量減少了25%。另一種設(shè)計(jì)在檢測(cè)到氦氣泄漏前實(shí)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(biāo)準(zhǔn)工作壓力700 bar。瓊斯等人也設(shè)計(jì)并制造了全尺寸演示罐，通過了41.4 bar的驗(yàn)證測(cè)試，并在27.6 bar壓力下進(jìn)行了2000次循環(huán)測(cè)試。森本等人準(zhǔn)備了由富士重工有限公司采用準(zhǔn)各向同性疊層模式制造的兩個(gè)無內(nèi)襯壓力容器，并在液氮溫度下加壓至11 bar，進(jìn)行了氦氣泄漏測(cè)試。通過應(yīng)變計(jì)和聲發(fā)射測(cè)試評(píng)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(cè)到損壞或泄漏。

拉菲等人研究了有襯里和無襯里儲(chǔ)罐的爆破壓力預(yù)測(cè)，考慮了制造過程中存在的隨機(jī)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，無襯里儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)無襯里儲(chǔ)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(yīng)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(jì)40年代以來便被廣泛使用，盡管其以高精度、自動(dòng)化程度高和成本低而著稱，但它存在若干缺點(diǎn)，可能限制其靈活性和優(yōu)化的潛力。

自動(dòng)纖維鋪放（AFP）和自動(dòng)帶鋪（ATL）是復(fù)合材料制造領(lǐng)域中最先進(jìn)且廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化制造技術(shù)。ATL在較簡(jiǎn)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(jī)機(jī)翼蒙皮等大型開放模具。然而，由于寬帶容易在復(fù)雜曲面或內(nèi)部幾何形狀上產(chǎn)生褶皺，ATL在這些應(yīng)用中表現(xiàn)較差。

為克服這些局限性，AFP于20世紀(jì)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(jìn)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(jià)。與纖維纏繞和ATL相比，AFP工藝的一大優(yōu)勢(shì)是其能夠進(jìn)行纖維束引導(dǎo)。纖維束引導(dǎo)指的是將纖維放置在非測(cè)地軌跡上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面的全面覆蓋，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和可變剛度。在AFP過程中（見示意圖），進(jìn)料纖維束從一組紗軸輸送至壓實(shí)輥。纖維束通過火炬或其他熱源加熱，并由壓實(shí)輥壓緊以促進(jìn)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(jī)器人能夠同時(shí)鋪放多條纖維束。多位學(xué)者近期對(duì)AFP工藝、其特性和缺陷、前景及局限性進(jìn)行了全面的綜述。

3.1. 在壓力容器中的應(yīng)用

目前，AFP在壓力容器中的應(yīng)用較為有限，且為了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，許多文獻(xiàn)中的細(xì)節(jié)被省略。美國能源部（DoE）氫能計(jì)劃對(duì)部分使用AFP制造的IV型壓力容器進(jìn)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(jìn)行外包覆，從而完成整個(gè)容器的制造。該項(xiàng)目旨在利用AFP的切割與添加功能，對(duì)穹頂區(qū)域進(jìn)行選擇性加固，而不會(huì)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?yàn)槔w維帶必須穿過圓柱部分以從一個(gè)穹頂移動(dòng)到另一個(gè)穹頂。在為期六年的項(xiàng)目中，制造了許多原型容器，并進(jìn)行了研究，以評(píng)估在大規(guī)模生產(chǎn)（每年50萬個(gè)單位）條件下混合AFP/FW罐的優(yōu)勢(shì)。其中一種設(shè)計(jì)相較于完全纖維纏繞的基線罐實(shí)現(xiàn)了32%的重量減輕。

NASA與波音公司合作開展了復(fù)合材料低溫罐技術(shù)與演示（CCTD）項(xiàng)目。項(xiàng)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(cè)和氦泄漏測(cè)試在內(nèi)的多種測(cè)試。該項(xiàng)目的詳細(xì)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(fù)合材料的COPVs/CPVs中的應(yīng)用研究較少。Schakel等人對(duì)該主題進(jìn)行了最詳細(xì)的研究，相關(guān)內(nèi)容在第3.3節(jié)（AFP在壓力容器應(yīng)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(jìn)行了討論。Schakel等人使用纖維纏繞軟件Composicad設(shè)計(jì)了他們的罐體，因此設(shè)計(jì)并未充分利用帶材鋪放技術(shù)的切割和重新啟動(dòng)功能，這些功能可以通過專用的AFP編程軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的大多數(shù)AFP在壓力容器中的應(yīng)用集中于大于汽車應(yīng)用的罐體，這些罐體的規(guī)模使得所需的纖維纏繞設(shè)備可能不切實(shí)際或無法滿足設(shè)計(jì)要求。特別是，大型罐體已被研究用于運(yùn)載火箭或類似載具中的低溫空間燃料（如液氧和液氫）的運(yùn)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(shè)計(jì)。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(xì)節(jié)有限，但制造了樣品平板以評(píng)估空隙含量和基本強(qiáng)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(dāng)部件在受熱條件下被壓在一起時(shí)，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(shì)

3.2.1. 可變角度纖維束與纖維引導(dǎo)

AFP能夠?qū)崿F(xiàn)非測(cè)地路徑和引導(dǎo)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(shì)。他們制造了一個(gè)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(zhǔn)各向同性鋪層相比，其彎曲誘導(dǎo)的屈曲載荷增加了28%，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示改進(jìn)了18.5%。

VAT還被應(yīng)用于壓力容器設(shè)計(jì)中，以消除容器壁內(nèi)的彎曲應(yīng)力，這種應(yīng)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(fù)合材料壓力容器的可能性。該設(shè)計(jì)通過使用低剖面橢圓穹頂，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的均勻厚度應(yīng)力分布，并減少了外部尺寸。研究中還識(shí)別出多個(gè)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(jìn)一步研究了熱機(jī)械載荷以及使用復(fù)合材料失效準(zhǔn)則計(jì)算無彎曲設(shè)計(jì)的允許內(nèi)部壓力。

Fan等人也推導(dǎo)了無彎曲應(yīng)力橢圓頭的控制方程。與Daghighi等人考慮的橢球不同，他們對(duì)具有五種不同縱橫比的橢圓頭和一個(gè)圓柱形中心部分的容器進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬驗(yàn)證了彎曲應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(duì)未來設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，但尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。無彎曲設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)所需纖維角度所需的引導(dǎo)半徑可能會(huì)超出當(dāng)前AFP設(shè)備的引導(dǎo)能力。如圖5所示，在穹頂中心處需要非常緊的引導(dǎo)半徑。一個(gè)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(shí)現(xiàn)了最小30毫米的引導(dǎo)半徑，這大大改進(jìn)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(dá)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(shì)，因?yàn)樗梢灾苯咏鉀Q第2節(jié)中列出的第二個(gè)不足之處。除了之前討論的美國能源部氫能計(jì)劃的研究外，目前文獻(xiàn)中尚無量化AFP所能實(shí)現(xiàn)的具體改進(jìn)的研究。然而，局部加固使用補(bǔ)強(qiáng)片的研究提供了潛在改進(jìn)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(bǔ)強(qiáng)片進(jìn)行選擇性加固的IV型容器。該補(bǔ)強(qiáng)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(bào)告稱，這種設(shè)計(jì)在理論上可減少近10%的復(fù)合材料使用量。Kartav等人設(shè)計(jì)并制造了一種使用補(bǔ)強(qiáng)片層進(jìn)行穹頂加固的III型壓力容器。添加補(bǔ)強(qiáng)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(dòng)到圓柱區(qū)域，這被認(rèn)為更加安全。

3.3. AFP在壓力容器應(yīng)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(shí)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(shí)。如果匹配不正確，切割操作的精度可能會(huì)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(duì)AFP缺陷及其產(chǎn)生和對(duì)性能的影響進(jìn)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(huì)導(dǎo)致缺陷區(qū)域的厚度不均勻。Croft等人發(fā)現(xiàn)，間隙會(huì)在拉伸、壓縮和開孔拉伸測(cè)試中導(dǎo)致強(qiáng)度降低。相反，重疊則在這些測(cè)試中增加了強(qiáng)度。Woigk等人進(jìn)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(dú)存在的間隙或重疊對(duì)拉伸或壓縮強(qiáng)度沒有顯著影響，但當(dāng)二者結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

另一個(gè)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(huì)降低層間剪切強(qiáng)度。AFP的加工參數(shù)也會(huì)影響孔隙率，尤其是壓實(shí)力和溫度對(duì)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(dāng)前AFP頭部較大，如果考慮不周，可能會(huì)與部件或工具發(fā)生碰撞。在航天應(yīng)用的火箭級(jí)罐體中，這個(gè)問題不太嚴(yán)重，因?yàn)殡S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(dòng)提供了相對(duì)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(dòng)，這對(duì)機(jī)器人的控制器來說可能是個(gè)問題。對(duì)于小型罐體，即汽車應(yīng)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(shè)備，生產(chǎn)了多個(gè)直徑為304毫米、帶PA6襯里的GF/PA6樣品罐。如圖8所示，壓實(shí)輥具有較大的直徑并為懸臂式設(shè)計(jì)，使得帶材可以非常接近頭架處鋪放，如同在纖維纏繞中進(jìn)行的那樣，而不會(huì)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(píng)估AFP頭對(duì)鋪放表面的可達(dá)性。該方法考慮了壓實(shí)輥訪問部件表面的位置空間能力以及將壓實(shí)輥垂直于表面的能力（高度空間）。針對(duì)特定的AFP設(shè)備，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達(dá)性。

在某些情況下，復(fù)雜的幾何形狀可能無法使用現(xiàn)有的AFP設(shè)備進(jìn)行制造。Hély等人對(duì)復(fù)雜的Y形管道進(jìn)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(huì)導(dǎo)致纖維束屈曲，用傳統(tǒng)AFP設(shè)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(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的限制，有許多區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)覆蓋。作者還假設(shè)鋪放頭足夠小以避免碰撞，這在實(shí)際制造場(chǎng)景中并不成立。即使克服了碰撞困難，復(fù)雜的穹頂曲率和三維頭部運(yùn)動(dòng)也會(huì)限制鋪放速度。雖然在簡(jiǎn)單幾何形狀上AFP鋪放速率可達(dá)150公斤/小時(shí)，但隨著復(fù)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(shí)間差異時(shí)，應(yīng)將其與其他優(yōu)缺點(diǎn)一起考慮。

這些制造挑戰(zhàn)可以通過對(duì)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(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。Zambal等人構(gòu)建了干纖維AFP工藝的數(shù)字孿生。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被收集用于檢測(cè)缺陷和其他相關(guān)信息。該模型能夠在缺陷出現(xiàn)時(shí)，通過有限元分析計(jì)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(cè)概率模型，用于AFP工藝。Sun等人對(duì)AFP制造中使用的各種在線缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述。

IV型壓力容器技術(shù)已經(jīng)成熟，并在商業(yè)應(yīng)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(xiàn)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(duì)于V型罐，心軸必須被移除以實(shí)現(xiàn)無襯里設(shè)計(jì)。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(fù)合材料殼體作為心軸。這種心軸通過在實(shí)心工具上進(jìn)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(fù)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(xiàng)目（前述第3.1節(jié)“在壓力容器中的應(yīng)用”中討論）也使用了實(shí)心工具。替代可溶解心軸，項(xiàng)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(gè)實(shí)心復(fù)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(jìn)行索引，以確保準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)用的罐）上進(jìn)行驗(yàn)證。

5. 材料及材料增強(qiáng)

5.1. 壓力容器制造中使用的材料

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，或它們的混合物進(jìn)行加固。然而，大多數(shù)復(fù)合材料壓力容器使用碳纖維進(jìn)行加固，因?yàn)槠渚哂休^高的強(qiáng)度和剛度特性。在COPV/CPV制造中，幾乎完全使用單向纖維，因?yàn)樗c纖維纏繞（FW）和自動(dòng)纖維鋪放（AFP）制造兼容，并在纖維方向上提供最高的強(qiáng)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?yàn)橄噍^于單向纖維束，其強(qiáng)度較低。

選擇纖維時(shí)，一個(gè)重要的考慮因素是尺寸效應(yīng)。Hwang等人研究了纖維強(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)，隨著組件尺寸的增加，強(qiáng)度會(huì)有所下降。在從纖維束測(cè)試到纖維纏繞壓力容器的規(guī)模擴(kuò)大過程中，預(yù)測(cè)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了纖維強(qiáng)度減少了16-32%，這強(qiáng)調(diào)了在進(jìn)行試樣測(cè)試時(shí)理解尺寸效應(yīng)的重要性。Hwang等人還開發(fā)了環(huán)爆試驗(yàn)。該測(cè)試通過模擬環(huán)向應(yīng)力對(duì)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(cè)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(yīng)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(duì)纖維纏繞容器強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)向鋪層中FVF的增加會(huì)提高最終的失效應(yīng)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(fù)合材料壓力容器中。這些纖維已被應(yīng)用于低壓天然氣存儲(chǔ)，最近也被研究用于高壓應(yīng)用。Bouvier等人研究了IV型COPVs的替代纖維選擇。作者根據(jù)多個(gè)優(yōu)化參數(shù)（如機(jī)械性能、成本、可回收性）提出了不同的纖維選項(xiàng)。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(shí)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(shí)現(xiàn)最大機(jī)械性能的明顯選擇。

5.1.2. 基體材料

現(xiàn)有的COPVs/CPVs設(shè)計(jì)大多使用熱固性基體，因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)起來更容易且更可靠。對(duì)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(xiàng)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(duì)環(huán)氧樹脂和乙烯基酯COPVs進(jìn)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(duì)罐體的熱機(jī)械性能有顯著影響。尤其是在氫氣應(yīng)用中，在快速填充過程中可能會(huì)發(fā)生較大的溫度變化，這會(huì)導(dǎo)致容器壁內(nèi)的熱機(jī)械應(yīng)力。研究表明，復(fù)合材料在熱載荷下比機(jī)械載荷下更容易失效，僅需少量循環(huán)即可引發(fā)熱機(jī)械疲勞損傷。這種損傷即使在與室溫的微小變化下也會(huì)削弱強(qiáng)度和剛度。通過最小化罐體的體積與表面積比，可減少熱機(jī)械效應(yīng)，這有利于小規(guī)模罐體。因此，在材料選擇過程中，應(yīng)考慮罐體的尺寸和工作循環(huán)。

熱機(jī)械應(yīng)力引起的退化對(duì)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(fù)成型、可焊接、可修復(fù)、易回收和較短的制造時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)對(duì)V型罐的應(yīng)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(duì)原位固結(jié)（AFP和FW）熱塑性材料的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

Schakel等人設(shè)計(jì)并測(cè)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(jìn)行了特征化。研究發(fā)現(xiàn)，穹頂由于帶材進(jìn)料速度的高波動(dòng)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(jī)器人臂的位置不同，導(dǎo)致頭架和尾架的每個(gè)穹頂受到的影響也不同，影響了進(jìn)料速度。研究還發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)行了商業(yè)用途測(cè)試，但在已發(fā)表的文章中提供的詳細(xì)信息有限。H?ck等人設(shè)計(jì)并制造了兩種用于航空航天應(yīng)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(shè)計(jì)儲(chǔ)存物質(zhì)的技術(shù)細(xì)節(jié)。O Brádaigh等人提出了用于空間應(yīng)用的熱塑性燃料罐設(shè)計(jì)。制備了模制的PEEK襯里，并提取了部分樣本進(jìn)行滲透測(cè)試。一些襯里樣本也通過LATP進(jìn)行包覆，并進(jìn)行低溫循環(huán)以測(cè)量裂紋增長。

在將熱塑性材料應(yīng)用于AFP時(shí)，重要的考慮因素是溫度控制和分布。Zaami等人構(gòu)建了一個(gè)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(huì)影響溫度。隨著罐體半徑的增加，襯里溫度（對(duì)于IV型罐）降低，冷卻時(shí)間增加，這在大規(guī)模生產(chǎn)場(chǎng)景中應(yīng)予以考慮。較大直徑的罐體在帶材和基底中的壓點(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. 固化

復(fù)合材料的固化周期會(huì)影響復(fù)合材料壓力容器的最終性能。對(duì)于V型復(fù)合壓力容器（CPVs）而言，固化周期對(duì)微裂紋的形成尤為重要。對(duì)于高溫固化，存在一個(gè)無應(yīng)力溫度，通常接近固化溫度。部件溫度偏離該無應(yīng)力溫度（例如在固化過程中冷卻時(shí)，或在特定溫度下操作時(shí)）會(huì)引起熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致微裂紋的形成，進(jìn)而增加氣體滲透性。這些殘余應(yīng)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(duì)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(dǎo)致裂紋密度從10裂紋/cm2增加到35裂紋/cm2，這是因?yàn)檩^高的固化溫度導(dǎo)致了更高的無應(yīng)力溫度。

復(fù)合材料壓力容器有多種固化技術(shù)可供選擇。對(duì)于使用纖維纏繞（FW）和自動(dòng)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(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工藝是在沒有高壓釜外部壓力的情況下進(jìn)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(duì)處理火箭或飛機(jī)級(jí)別罐體的航空航天應(yīng)用尤為重要。為此，CCTD項(xiàng)目采用了OoA工藝來固化兩個(gè)演示罐。

為了進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，為降低殘余應(yīng)力引發(fā)的微裂紋提供了有趣的機(jī)會(huì)。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(duì)干纖維AFP組件的材料選擇和制造進(jìn)行了詳細(xì)研究。

結(jié)合文獻(xiàn)綜述中的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種用于AFP制造的V型復(fù)合壓力容器（CPV），該設(shè)計(jì)將作為未來實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)，并解決本次綜述中識(shí)別出的不足之處。新南威爾士大學(xué)悉尼分校的先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)化制造ARC培訓(xùn)中心配備了自動(dòng)動(dòng)力學(xué)AFP機(jī)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(shì)。

此初始設(shè)計(jì)旨在解決本次綜述中識(shí)別的與V型罐相關(guān)的制造挑戰(zhàn)。該熱固性罐體由兩個(gè)半部分構(gòu)成，每個(gè)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(shè)計(jì)形成了一個(gè)無襯里的復(fù)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(shí)制造每個(gè)半部分。獨(dú)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(shì)，并且只能通過AFP實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗枰w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(shí)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(shè)計(jì)，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(dòng)化分析。

將這一概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的下一步工作包括定制可折疊工具的設(shè)計(jì)和原型罐的制造測(cè)試。首先，將使用VERICUT VCP對(duì)容器兩半部分的纖維路徑進(jìn)行編程。然后，將在可折疊工具上制造原型容器的兩個(gè)半部分，并按照?qǐng)D13所示將其粘合，同時(shí)嵌入光纖傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。此步驟旨在驗(yàn)證工具設(shè)計(jì)和AFP纖維路徑編程的有效性。將使用3D掃描技術(shù)將實(shí)際的部件幾何形狀和厚度與計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行比較。安裝極性接頭并完成容器粘合后，將進(jìn)行靜水壓力測(cè)試，并使用嵌入的傳感器記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)，與有限元預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。完成初步工作后，將對(duì)容器進(jìn)行包覆，纖維束將橫跨容器的兩個(gè)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(dǎo)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(shì)。最后，將進(jìn)行關(guān)于滲透率降低、更高效和精確的模擬以及改進(jìn)工具設(shè)計(jì)的研究，以推動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)展。

本次綜述總結(jié)了當(dāng)前IV型和V型復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展進(jìn)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(dǎo)致的非測(cè)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(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)。然而，目前AFP在壓力容器中的應(yīng)用主要局限于用于航天應(yīng)用的火箭級(jí)罐體。要解決AFP頭部較大物理尺寸對(duì)較小汽車和航空航天規(guī)模容器的干擾，還需進(jìn)行進(jìn)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(shè)計(jì)且不可重復(fù)使用。實(shí)心的內(nèi)部可折疊工具已在大規(guī)模罐體上得到驗(yàn)證，但尚未在較小的罐體上應(yīng)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(jìn)一步了解和減少復(fù)合層壓板的氣體滲透。復(fù)合層壓板中的基體微裂紋對(duì)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(jī)制已在樣本級(jí)別上得到驗(yàn)證，但仍需進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的評(píng)估。此外，AFP對(duì)滲透性的影響尚未得到廣泛研究。

對(duì)COPV/CPV制造的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了審查，突出顯示了AFP生產(chǎn)和V型容器的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋缺口。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(duì)成本的影響也需要進(jìn)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(yàn)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(shè)計(jì)。未來的工作將包括該概念的詳細(xì)設(shè)計(jì)、材料級(jí)測(cè)試和AFP制造的原型，以應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)挑戰(zhàn)。