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摘要 

       氫正在成為眾多行業(yè)中前景光明的未來能源媒介。對于移動應用，它通常以氣態(tài)存儲在高壓復合材料包裹壓力容器 (COPV) 內。當前的壓力容器技術（稱為 V 型）消除了 IV 型容器中使用的內部聚合物氣體屏障，而是依靠碳纖維層壓板來提供結構性能并防止氣體泄漏。在高壓下實現(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，限制了設計空間。自動纖維鋪放 (AFP) 是一種高度靈活的機器人復合材料制造技術，有潛力取代復合材料壓力容器制造中的纖維纏繞，并為進一步優(yōu)化容器提供途徑。 AFP 和 V 型技術的結合可以為新一代高性能復合材料壓力容器提供途徑。這篇批判性評論介紹了行業(yè)標準 IV 型容器的關鍵工作以及 V 型 CPV 技術的現(xiàn)狀，包括制造開發(fā)、挑戰(zhàn)、成本、與商業(yè)標準的相關性以及使用 AFP 的未來制造解決方案。此外，還提出了一種用于兩件式 AFP 生產容器的新型 V 型 CPV 設計概念。

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關鍵詞

碳纖維，自動化，纖維纏繞復合材料壓力容器

1 .介紹

       為了實現(xiàn)政府間氣候變化專門委員會防止全球變暖較工業(yè)化前水平超過 1.5°C 的目標所需的脫碳水平，全球正在采取強有力的行動來減少碳排放。氫作為能源載體已被認為適合滿足這些氣候目標[ 1 ]。使用氫氣的一個關鍵挑戰(zhàn)，特別是在重量關鍵的航空航天和汽車環(huán)境中，是以高體積和重量密度儲存氫氣。世界各地都在使用各種以固體、液體和氣體形式儲存氫氣的方法，每種方法對相關行業(yè)都有的好處。然而，以氣體形式儲存氫氣已成為全球氫氣儲存的主要形式[ 2 ]。盡管氫氣很受歡迎，但以氣體形式儲存氫氣仍具有挑戰(zhàn)性，因為它是輕的元素，必須保持在非常高的壓力（即 350-700 巴）下才能達到實際密度 [ 3 ]。滿足這些要求的儲存氫氣的常用方法是在碳纖維復合材料壓力容器內儲存。碳纖維的高強度允許建造重量存儲密度是鋼容器四倍以上的輕型儲罐[ 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 型容器設計和制造簡單，構成當今使用的大多數(shù)容器。 II、III 和 IV 型容器被稱為復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構載荷，并使用金屬或塑料襯里來容納氣體。許多地面運輸應用都使用 IV 型容器，因為它們重量輕，存儲密度高。兩款的氫燃料電池電動汽車豐田 Mirai 和本田 Clarity 均使用工作壓力為 700 bar 的 IV 型容器 [ 6 , 7 ]。

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            圖1 五種常見類型的壓力容器

      圓柱形IV型容器的結構如圖1所示。塑料內襯通常為 HDPE 或 PA [ 9 ]，用于防止氣體泄漏。容器的末端設有開口，并配有凸臺。凸臺用于填充和排空容器，通常包括傳感器通道 [ 10 ]。 I – III 型容器上的凸臺通常與襯里集成在一起，但在 IV 型和 V 型容器中，它是單獨的金屬或復合部件。

     由于 IV 型船舶目前與許多行業(yè)相關，因此成為深入研究的主題。然而，復合材料壓力容器技術的新技術被稱為 V 型。V 型或無襯里容器沒有內襯，因此復合材料既充當氣體屏障又充當承載結構。由于復合材料沒有包裹在 V 型容器的內襯上，因此它們可以稱為 CPV。無襯里消除了襯里和復合材料之間應變相容性的需要，從而提高疲勞性能并有可能實現(xiàn) 10-20% 的重量減輕 [ 11 , 12 ]。 V 型儲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) 技術制造，這是一種將張緊的纖維帶纏繞在旋轉心軸上的技術。雖然這項技術功能強大且成熟，但它有一些固有的局限性。 COPV/CPV 的設計可以通過使用更的制造方法（主要是自動纖維鋪放 (AFP)）來改進。 AFP 是傳統(tǒng)纖維纏繞技術的演變，可提供高精度、高品質以及低損耗 [ 13 ]。

      V 型設計和 AFP 技術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，但公開文獻中還沒有涵蓋 V 型壓力容器或 AFP 相關應用的綜述文章。本文對 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 生產的無襯里儲罐的新穎設計，這將構成未來工作的基礎。

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合材料外包裝，已被廣泛研究并投入商業(yè)使用。表 1總結了與 IV 型壓力容器相關的主要文獻。值得注意的是，許多已發(fā)表的關于 III 型船舶的工作也與 IV 型船舶的設計相關，但是這里僅涵蓋與 IV 型船舶專門相關的工作，以控制本次審查的范圍。每件作品都根據(jù)其內容進行了分類。例如，如果出版物列在“材料”類別中，則它包含與材料相關的特定結果，而不僅僅是提及所使用的材料。通過查閱文獻，數(shù)學理論（指提出控制方程和數(shù)學理論的論文）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)模的實驗數(shù)據(jù)。然而，很少有作品詳細討論轂和襯里的設計或結構健康監(jiān)測。

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1.2 . V 型壓力容器的現(xiàn)有工作

      早在 20 世紀 80 年代，航空航天業(yè)就開始了 V 型船舶的研究工作 [ 47 ]。許多團體已經開發(fā)了用于商業(yè)應用或工業(yè)研究的 V 型儲罐，但是現(xiàn)有的可供嚴格審查的同行評審文獻非常有限。下面介紹了有關 V 型 CPV 設計和制造的幾項工作。

      馬利克等人。 [ 48 ]生產了許多不同尺寸的V型測試容器，并評估了它們的氦滲透性和機械性能。與同等的 I 型儲罐相比，一種設計的存儲容量增加了 15%，質量減少了 25%。另一種設計在檢測到氦泄漏之前實現(xiàn)了 558.5 bar 的壓力，爆破壓力為 620.5 bar，接近汽車行業(yè)標準工作壓力 700 bar。瓊斯等人。 [ 11 ] 還設計和制造了全尺寸演示罐，經過 41.4 bar 的驗證測試，并在 27.6 bar 的壓力下循環(huán)了 2000 次。森本等人。 [ 49 ]準備了兩個由富士重工有限公司采用準各向同性疊層模式制造的無內襯壓力容器。這些容器在液氮溫度下加壓至11巴，并進行了氦泄漏測試。應變計和聲發(fā)射測試用于評估容器的損壞。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測，考慮了制造過程中存在的隨機效應。作者發(fā)現(xiàn)，無襯里儲罐的層失效和爆裂都發(fā)生在較低的壓力下，Hashin 和 Hoffman 失效標準都能夠準確預測無襯里儲罐的層失效。

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 40 年代以來一直在使用，雖然它以其性、自動化和低成本而聞名 [ 12 ]，但它有幾個缺點（圖 2），可能會限制其靈活性和優(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，因為凹面會導致纖維橋接。因此，容器的每一端都需要一個性凸臺或端部配件，以便纖維帶纏繞并在到達圓頂端部時返回。這些金屬軸凸臺使設計變得復雜并增加了質量。

2.

      纖維帶需要在整個纏繞過程中保持連續(xù)，這會導致軸周圍積累過多的厚度。這可能違反應力計算中使用的基本殼理論假設 [ 50 ]。它還會導致圓頂加固所需的多余纖維被放置在圓柱體區(qū)域[ 51 ]。設計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。

3.

      當它們受到張力時，纖維會自動對準測地線路徑。為了實現(xiàn)非測地線路徑，需要摩擦來防止纖維滑動[ 12 ]。因此，非測地線纏繞能力于可用摩擦力，從而限制了設計空間。

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     圖2 .使用纖維纏繞制造壓力容器的局限性

3 .自動纖維鋪放

     自動纖維鋪放（AFP）和自動鋪帶（ATL）是機器人復合材料制造技術，被認為是和廣泛使用的自動化復合材料制造方法[ 53 ]。 TL 在相對簡單的表面上高速鋪設寬膠帶（通常為 75-300 毫米 [ 54 ]），使其適用于大型開放式模具，例如飛機機翼蒙皮。然而，由于寬膠帶中皺紋的積累，它在復雜輪廓或內部幾何形狀上表現(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 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的。與纖維纏繞和 ATL 相比，AFP 工藝的一個顯著優(yōu)勢是其執(zhí)行牽引轉向的能力。牽引轉向涉及將纖維放置在非測地線軌跡上，以實現(xiàn)表面的完全覆蓋并實現(xiàn)優(yōu)化和可變剛度[ 56 ]。在 AFP 過程中（示意圖如圖 3所示），進入的絲束從一組線軸輸送到壓實輥。使用火炬或其他熱源加熱絲束，并通過輥壓實以促進對現(xiàn)有層的粘合。在一段絲束（稱為路線）結束時，用刀切割膠帶，然后該過程可以重新開始。大多數(shù) AFP 機器人可以同時放置多個絲束。幾位作者近對AFP 流程、其特征和缺陷、前景和局限性進行了的評論[ 13、53、55、57、58 ]。

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              圖3 .自動纖維鋪放過程

3.1 .在壓力容器中的應用

      AFP 現(xiàn)有的壓力容器應用受到限制，為了保護知識產權，出版物中的細節(jié)經常被省略。美國能源部 (DoE) 氫計劃對部分使用 AFP 制造的 IV 型壓力容器進行了調查[ 39、51、60、61

      NASA 和波音公司合作開展了復合低溫罐技術和演示 (CCTD) 項目。建造了兩個直徑分別為 2.4 m 和 5.5 m 的樣品容器。兩個容器均采用 AFP 技術由碳纖維/環(huán)氧樹脂材料制成，較大的 5.5 m 儲罐的制造如圖 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%。這些儲罐使用低溫 LH 2在 9.3 bar 下成功進行壓力循環(huán)，并通過了各種測試，包括聲發(fā)射檢查和氦泄漏測試。 McCarville 等人在書中詳細介紹了該項目。 [ 62 ]。

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圖4 .作為 CCTD 項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，使用熱塑性復合材料的激光輔助膠帶放置 (LATP)也已應用于 COPV/CPV [ 44 , 63 ]。沙克爾等人。 [ 21 ]介紹了有關該主題的詳細的工作，第3.3節(jié)（將 AFP 應用于壓力容器的挑戰(zhàn)）和 5.1 節(jié)（壓力容器構造中使用的材料）對此進行了討論。沙克爾等人。使用 Composicad（一種纖維纏繞軟件）設計了他們的儲罐，因此該設計沒有充分利用膠帶放置技術的切割和重新啟動功能，而這種功能可以使用的 AFP 編程軟件來實現(xiàn)。 AFP 在壓力容器上的大多數(shù)其他現(xiàn)有應用都是在比汽車應用更大的儲罐上，其中所需的纖維纏繞設備的規(guī)?？赡懿磺袑嶋H或無法滿足設計要求。特別是，大型儲罐已被研究用于在火箭或類似車輛中運輸?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計。儲罐的圓筒區(qū)域使用 ATL 生產，圓頂則通過手工鋪層生產。提供的技術細節(jié)有限，但制造了樣品平板以評估空隙率和基本強度性能。提出了一種非晶層間粘合技術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，當部件在受熱作用下擠壓在一起時，聚醚酰亞胺薄膜會熔化，從而形成結構粘合。

3.2 . AFP 對壓力容器的潛在好處

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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影響未來的設計，但尚未得到實驗證明。無彎曲設計也沒有考慮到需要在容器的至少一端安裝性凸臺，這會破壞所需的光纖圖案。此外，實現(xiàn)必要的光纖角度所需的轉向半徑可能超過當前 AFP 設備的轉向能力。從圖 5 的圓頂中心可以看出所需的嚴格轉向半徑。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，通過利用纖維內剪切特性，以小至 30 毫米的半徑引導纖維，這比傳統(tǒng)的約 500 毫米的小半徑有了很大的改進。然而，這項技術仍處于起步階段，研究期間實現(xiàn)了高達 3 毫米/秒的低敷層速度。

3.2.2 .選擇性強化

      選擇性加固是使用 AFP 建造壓力容器的第二個主要好處，因為它可以直接解決第2節(jié)中列出的第二個不足。除了前面討論的美國能源部氫計劃工作之外，沒有文獻具體量化 AFP 可以實現(xiàn)的可能改進。然而，使用桌布進行局部加固可以很好地表明潛在的改進。

     例如，Roh 等人。 [ 41 ] 對 IV 型容器進行了FEA優(yōu)化，并通過圓頂中的桌布進行選擇性加固。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。作者報告稱，理論上所需復合材料的數(shù)量減少了近 10%?？査虻热恕?[ 71 ]設計并建造了一個 III 型壓力容器，使用墊布層進行穹頂加固。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，這被認為更安全。

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          圖6 .圓頂中的桌布加固示意圖

3.3 . AFP應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)產品上的應用也較少。 AFP 部件的質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。如果匹配不正確，端部切割操作的精度可能會降低，并且可能會出現(xiàn)絲束滑動或橋接等缺陷[ [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、它們的產生以及對性能的影響。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)間隙導致拉伸、壓縮和開孔拉伸測試中強度的降低。相反，在每項測試中都發(fā)現(xiàn)重疊可以增加強度。沃伊克等人。 [ 77 ]對使用手工鋪層模擬的 AFP 缺陷進行了類似的工作。作者發(fā)現(xiàn)，間隙或重疊本身對拉伸或壓縮強度沒有統(tǒng)計學上的顯著影響，但當它們結合起來時，就會產生負面影響。

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)。當前 AFP 打印頭尺寸較大，這意味著如果考慮不當，可能會發(fā)生與零件或工具的碰撞。在太空應用中使用的火箭級儲罐上，這不是一個問題，因為隨著儲罐直徑的增加，AFP 頭部與零件和工具之間的尺寸差異也會增加，為頭部移動提供相對更多的空間。由于端部圓頂半徑較小，坦克還需要更快速的頭部運動，這可能會給機器人的控制器帶來問題。在小型儲罐上，即用于汽車應用，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) 設置，制作了多個帶有 PA6 內襯的直徑 304 mm GF/PA6 樣品罐。如圖8所示，壓實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?？拷囶^放置，而不會發(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右側所示，后者在兩側支撐滾輪。值得注意的是，LATP 頭放置單個 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發(fā)生碰撞，正如多材料頭所實現(xiàn)的那樣，這對大多數(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構來解決這一挑戰(zhàn)。

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圖8 . LATP 制造小直徑 CPV（左）（經參考文獻 [ 21 ]許可復制）和典型熱固性 AFP 頭（右）。

      曲等人。 [ 80 ]提出了一種模擬方法來評估 AFP 頭到放置表面的可達性。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。針對特定的 AFP 設置評估了可能的位置和高度空間，并用于驗證樣本工具表面的可訪問性。在某些情況下，使用當前的 AFP 設備可能無法制造復雜的幾何形狀。海利等人。 [ 81 ]對復雜 y 形管的 AFP 鋪層進行了模擬，如圖9所示。人們發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)的 AFP 設備很難覆蓋該幾何形狀，因為所需的高度彎曲的纖維路徑會導致絲束彎曲。作者指出，CTS 能夠克服這個問題。此外，由于機器人關節(jié)活動范圍的限制，還有許多區(qū)域無法實現(xiàn)覆蓋。作者還假設貼裝頭足夠小以避免碰撞，但這在現(xiàn)實世界的制造場景中并不成立。即使克服了碰撞困難，復雜的圓頂曲率和三維頭部運動也會限制貼裝速度。雖然在簡單的幾何形狀上 AFP 敷層速率可以達到 150 kg/h，但隨著復雜性的增加，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 之間的制造時間差異應與其他優(yōu)點和缺點一起考慮。

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     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算機的模擬相結合，以實現(xiàn)智能制造和復雜的過程控制[ 83 , 84 ]。贊巴爾等人。 [ 85 ]構建了干纖維 AFP 流程的數(shù)字孿生。收集有關缺陷和其他相關信息的實時數(shù)據(jù)。該模型能夠在缺陷發(fā)生時使用有限元分析來計算缺陷的影響。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。

4 . V型壓力容器發(fā)展領域

      IV 型壓力容器技術成熟并積應用于商業(yè)應用。然而，V 型壓力容器目前處于較低的技術準備階段，缺乏可用的文獻證明了這一點。在實現(xiàn)大規(guī)模采用之前，已經確定了必須解決的兩個挑戰(zhàn)領域：造和滲透控制。下面討論每個領域。

4.1 .制造業(yè)

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圖10 CCTD 項目 2.4 m 坦克鋪設工具（轉載自公共領域圖

4.2 .滲透

      眾所周知， FRP 層壓板由于其分子直徑小和運動粘度高，對多種氣體（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）和低溫儲存（其中氫處于液態(tài)）。使用 AFP 時會遇到額外的挑戰(zhàn)，因為與手糊相比，AFP/ATL 制造的層壓板顯示出更高的滲透性 [ 64 ]。美國能源部氫計劃已指定儲存氫氣的終泄漏目標為 0.05（克/小時）/千克，以幫助指導研究人員大限度地減少滲透性的工作[ 90 ]。同樣，亞當斯等人。 [ 91 ]提出20℃時大允許滲透率為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。

       擴散導致加壓氣體吸附到容器壁中，擴散通過材料并解吸到大氣中。 Humpenöder [ 92 ] 發(fā)表了有關復合材料中氣體擴散的數(shù)學和概念背景的詳細信息。

     基質中相互關聯(lián)的微裂紋為氣體逸出打開了“通道”，如圖11 (b) 所示。

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圖11 （a）泄漏機制和（b）由于交叉基質微裂紋而產生的詳細機械泄漏機制

     ?雖然這兩種機制對總滲透貢獻了可測量的量，但微裂紋引起的泄漏已被證明比擴散引起的泄漏高幾個數(shù)量級[ [94]、[95]、[96] ]。在一些數(shù)學模型中，擴散甚至被忽略[ 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滲透性的改變小于一個數(shù)量級[ 100 ]。

     對于高壓（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備，滲透測量通常在低壓下進行。藤原等人。 [ 101 ]構建并驗證了 900 bar 滲透性單元來解決這個問題，但是，僅測試了聚合物而不是復合材料。典型的滲透池還測量卸載樣品時的滲透性。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 ]已經解決了這個問題，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。

      基體微裂紋是由復合材料層壓板的機械和熱載荷引起的，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，這通常被認為是復合罐的種失效模式[ 47 , 89 ]。雖然這些裂紋單獨不會導致容器發(fā)生災難性故障，但它們會導致層壓板機械性能的整體惡化，并且可能會擴大導致儲罐完全失效[ 104 ]。因此，對于設計人員來說，了解這些裂紋的形成以及它們如何影響儲罐的性能非常重要。

4.2.1 .纖維復合材料透氣性的實驗評估

     幾位作者研究了復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行滲透的，但許多出版物也包括室溫下的結果。人們發(fā)現(xiàn)氣體泄漏率隨著機械應變、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] ]。鋪設順序也會影響滲透性，相同角度的層被分組而不是分散在整個厚度的層壓板已顯示出泄漏增加[ 106 ]。此外，復合織物類型會影響滲透性，縫合材料表現(xiàn)出比未縫合材料更高的滲透性[ 109 ]，層壓復合材料表現(xiàn)出比紡織復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)手糊和熱壓罐技術以及熱塑性ATL制造的熱固性和熱塑性復合材料的滲透性。滲透率值與純PEEK和PVC進行了比較。使用高壓釜固化制備的所有樣品均表現(xiàn)出近菲克行為。這是一個有趣的觀察，因為菲克定律描述了通過均質材料的擴散，而復合材料不是均質的。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)熱固性和熱塑性復合材料的滲透性處于同一數(shù)量級。

4.2.2 .層壓復合材料的透氣率建模

       與擴散率一樣，微裂紋敏感性可以測量和建模。典型的斷裂力學和基于強度的方法無法令人滿意地模擬微裂紋，因為裂紋往往立即形成，而不是像傳統(tǒng)裂紋那樣生長。對這種現(xiàn)象進行建模的工作主要可以分為兩個領域：實驗/經驗方法和數(shù)值方法。

      Nairn [ 104 ] 提出了一種經驗有限斷裂力學方法?；谀芰康哪Ｐ痛_定，當裂紋形成過程中釋放的總能量達到表示微裂紋斷裂韌性(MFT)的臨界水平時，就會形成新的微裂紋，或者

       袁等人。 [ 116 ]產生了用于滲透率預測的有限元分析模型。該模型成功預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、開口位移和實驗確定的常數(shù)來確定的。研究發(fā)現(xiàn)，裂縫密度和開口位移對滲透率有顯著影響，因為它們決定了交叉面積。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，這表明殘余應力是造成這種情況的原因。

        近，埃伯曼等人。 [ 8 ]比較了確定復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 計算對層壓板性能進行均質化，并對結果進行比較。數(shù)值和分析結果非常吻合，擴散顯示為未損壞層壓板滲透的主要驅動力。然而，一旦引入小閾值體積（<1%）的裂縫，滲透率就會顯著增加。超過這個閾值，裂縫體積對滲透率影響很小。

5 .材料和材料增強

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圖12。在 LN ₂溫度下淬火的層壓板的光學顯微照片（a）用 nCuO 生產，（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)級評估。在儲罐層面，應使用美國能源部 (US DoE) 單位（克/小時）/千克儲存的氫氣來測量滲透率，以便與目標泄漏率進行直接比較。此外，用于實現(xiàn)這些改進的制造工藝的可擴展性必須在儲罐級別進行評估。對于薄層材料，應研究與生產所需厚度所需的額外制造時間和面積纖維要求相關的額外成本。例如，使用厚度為常規(guī)絲束一半的薄層絲束可能會使放置/卷繞時間加倍，因為需要兩倍的層數(shù)才能達到相同的厚度。對于納米修飾，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)有的工作主要應用于使用手糊技術制作的樣品。由于常見缺陷以及與傳統(tǒng)手工鋪層相比，AFP 的技術成熟度普遍較低，應用于 AFP 生產的層壓板時，結果可能會有所不同。

6 .成本

      復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用中使用，纖維纏繞被認為是一種“經濟實惠”的復合材料制造技術[ 12 ]。與應該理解的現(xiàn)有技術相比，V 型技術和基于 AFP 的制造都將在不同領域帶來成本節(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。作者承認了 V 型，但沒有提供成本信息。 Hua 等人指出，存儲壓力也會對成本產生影響。 [ 157 ]建立了IV型儲罐的成本模型并比較了不同的壓力。 350 bar 和 700 bar 儲罐的成本分別為 15.4 美元/kWh 和 18.7 美元/kWh（美元）。在這兩種壓力下，碳纖維材料構成了大部分成本，其他幾位作者也得出了這個結論[ 12,158,159 ]。較高壓力的 700 bar 儲罐的成本不會是 350 bar 儲罐的兩倍，因為在增加存儲壓力時，許多制造設備和工廠的平衡不會發(fā)生顯著變化。 Sun 等人也發(fā)現(xiàn)了類似的結果。 [ 159 ]，他分析了汽車應用的 III 型氫罐的成本。作者發(fā)現(xiàn)，材料成本與存儲壓力呈非線性關系，即壓力加倍并不會使成本加倍。作者發(fā)現(xiàn)優(yōu)化成本和存儲密度的操作壓力為 500-550 bar。這明顯低于目前汽車行業(yè)使用的 700 bar IV 型儲罐。

       基于 AFP 的壓力容器制造的成本效益也尚未得到詳細研究。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 ]。美國能源部氫計劃對使用 FW 與混合 AFP/FW 方法制造的 IV 型 COPV 進行了的成本評估 [ 39 ]。通過在與主容器分開的生產線（即并行）上生產圓頂?shù)?AFP 加固材料并將其集成到第二步中，實現(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），但仍實現(xiàn)了這些節(jié)省，因為作者計算出在 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，這意味著機器利用率是優(yōu)化復合材料鋪層的次要因素。

使用 AFP 時的另一個成本考慮因素是需要進行檢查。 Björnsson [ 82 ] 發(fā)現(xiàn) AFP 機器總時間的 32% 用于檢查零件。同樣，上籃時間估計低至 24-26% [ 55 , 161 ]。為了改進這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，許多作者研究了自動檢查技術。薩科等人。 [ 162 , 163 ] 開發(fā)了 ACSIS 系統(tǒng)，使用激光輪廓測量和機器學習進行缺陷跟蹤，用于自動層檢查?？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。

7 .商業(yè)標準

       在壓力容器中采用 AFP 和 V 型技術的后一個重要考慮因素是其符合標準的能力。 COPV/CPV 的設計、制造和認證有許多標準。許多都有自己的本準，但 ISO（瑞士）、ASME（美國）和 EN（歐洲）標準在全球范圍內廣泛使用。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合壓力容器法規(guī)。表 3列出了主要的復合壓力容器標準及其對 V 型儲罐和 AFP 的覆蓋范圍。對于公共領域之外無法訪問的標準，在標準的公開摘要或描述中找不到的信息已被標記為“未知”。一些相關的非現(xiàn)行標準也已納入其中。一般來說，這些標準未能充分涵蓋 V 型壓力容器和使用 AFP 的制造中一些標準涵蓋無襯里（V 型）儲罐，從而可以驗證燈絲是否為 V 型儲罐。然而，這些標準主要是為涵蓋 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計、測試和認證信息。就 ISO 11119-3 2013 和 2020 而言，無襯罐的工作壓力上限遠低于 700 bar 的行業(yè)標準壓力。在該標準中，IV型和V型儲罐的允許滲透率是相同的，這意味著無襯里儲罐必須達到與IV型儲罐中的襯里相同的低滲透性才能獲得認證。沒有標準明確承認 AFP 是可接受的制造工藝。一些標準規(guī)定長絲纏繞和/或完全連續(xù)纖維作為要求。這實際上消除了使用 AFP 的能力，因為 AFP 工藝的一個關鍵優(yōu)勢是能夠合并不連續(xù)的纖維帶以實現(xiàn)局部加固。其他標準則更加含糊，并使用“纏繞”或“纏繞”等術語，暗示纖維纏繞，但沒有明確要求。一些標準還要求罐體是一體的。這限制了合規(guī)制造工藝的范圍，因為可能的儲罐架構較少。

8 . AFP 生產的 V 型壓力容器的新穎設計

      考慮到所提出的文獻綜述的結果，AFP 制造的 V 型 CPV 的設計已經完成，它將構成未來實驗工作的基礎，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復合材料自動化制造 ARC 培訓中心配備了具有熱固性和熱塑性塑料放置能力的 Automated Dynamics AFP 機器人以及協(xié)調主軸，使該中心能夠很好地開發(fā) COPV 和 CPV。

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       圖13 法新社提出了新型 V 型壓力容器概念。

        圖 13描述了設計概念，該初始設計旨在解決與本次審查中確定的 V 型儲罐相關的制造挑戰(zhàn)。熱固性儲罐由兩半構成，兩半在可折疊工具上分別制造并在粘合在一起之前進行固化。這形成了無襯里的復合心軸，其上包裹有額外的連續(xù)層。將儲罐分成兩半生產，避免了使用可溶解的核心，并允許在大規(guī)模生產場景中同時制造每一半。的是，該坦克僅在一端使用地凸臺，另一端完全包裹。該功能具有減輕重量的優(yōu)點，并且只能使用 AFP 來實現(xiàn)，因為它需要絲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現(xiàn)這一點。沿著氣缸區(qū)域并入可變角度牽引以調整剛度。為了分析和優(yōu)化儲罐設計，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 AFP 鋪層進行半自動分析。

      將這一概念轉化為現(xiàn)實的下一步包括定制可折疊工具的設計和制造以及原型罐制造測試。首先，兩個半容器的光纖路徑將使用 VERICUT VCP 進行編程。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行結構健康監(jiān)測。此步驟旨在驗證工具設計和 AFP 光纖路徑編程。 3D 掃描將用于將零件的實際幾何形狀和厚度與計算機模型進行比較。在軸凸臺安裝和容器粘合后，將進行靜水壓力測試，并使用嵌入式傳感器記錄應變，以便與有限元預測進行比較。完成初步工作后，容器將被穿過儲罐兩半的絲束包裹，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 相對于纖維纏繞的優(yōu)勢。后，將進行減少滲透、更、更準確的模擬以及改進的工具設計方面的研究，以推進該項目。

9 .結論

       這篇批判性評論總結了 IV 型和 V 型復合壓力容器的當前進展，并討論了與其開發(fā)進展相關的關鍵挑戰(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致非測地路徑能力小。 AFP 可以通過其選擇性強化和增值稅功能來解決這些限制，從而有可能進一步優(yōu)化復合材料壓力容器設計。然而，AFP 在壓力容器上的現(xiàn)有應用通常于太空應用的火箭級儲罐。需要進行額外的工作來解決 AFP 頭的較大物理尺寸對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)。為了生產無襯里容器，必須移除內部敷層工具。水溶性芯通常用于此目的，但可能不適用于所有設計并且不可重復使用。堅固的內部可折疊工具已在較大規(guī)??模的儲罐上得到驗證，但在較小的儲罐上卻沒有得到證實，因為開口尺寸減小，內部通道也很困難。其次，需要進一步了解和減少復合層壓板的氣體滲透。復合材料層壓板中基體微裂紋的存在對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制已在樣品水平上得到證實，但仍需要進行系統(tǒng)水平評估。此外，AFP 對滲透性的影響尚未得到廣泛研究。COPV/CPV 制造的商業(yè)標準已經過審查，突出了 AFP 生產和 V 型船舶的覆蓋范圍差距。隨著這些技術的發(fā)展不斷進步，標準應該更新以保持與新技術的相關性。引入 V 型技術和 AFP 制造對成本的影響還需要進一步的工作，但是，與 FW 相比，AFP 中材料使用量的減少所帶來的成本節(jié)約已在原型設置中得到證明。后，介紹了 AFP 生產的 V 型壓力容器的新穎設計。未來的工作將包括使用這一概念的 AFP 進行詳細設計、材料級測試和原型制造，以解決現(xiàn)有的技術挑戰(zhàn)。

    本文來源；A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based

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