V 型储氢气瓶和基于自动化纤维铺放AFP的制造综述

摘要

       氢正在成为众多行业中前景光明的未来能源媒介。对于移动应用，它通常以气态存储在高压复合材料包裹压力容器 (COPV) 内。当前最先进的压力容器技术（称为 V 型）消除了 IV 型容器中使用的内部聚合物气体屏障，而是依靠碳纤维层压板来提供结构性能并防止气体泄漏。在高压下实现这一功能带来了一些工程挑战，迄今为止这些挑战阻碍了商业应用。此外，COPV 的传统制造工艺（纤维缠绕）存在多种限制，限制了设计空间。自动纤维铺放 (AFP) 是一种高度灵活的机器人复合材料制造技术，有潜力取代复合材料压力容器制造中的纤维缠绕，并为进一步优化容器提供途径。 AFP 和 V 型技术的结合可以为新一代高性能复合材料压力容器提供途径。这篇批判性评论介绍了行业标准 IV 型容器的关键工作以及 V 型 CPV 技术的现状，包括制造开发、挑战、成本、与商业标准的相关性以及使用 AFP 的未来制造解决方案。此外，还提出了一种用于两件式 AFP 生产容器的新型 V 型 CPV 设计概念。

 

 

关键词

碳纤维，自动化，纤维缠绕复合材料压力容器

1 .介绍

       为了实现政府间气候变化专门委员会防止全球变暖较工业化前水平超过 1.5°C 的目标所需的脱碳水平，全球正在采取强有力的行动来减少碳排放。氢作为能源载体已被认为适合满足这些气候目标[ 1 ]。使用氢气的一个关键挑战，特别是在重量关键的航空航天和汽车环境中，是以高体积和重量密度储存氢气。世界各地都在使用各种以固体、液体和气体形式储存氢气的方法，每种方法对相关行业都有独特的好处。然而，以气体形式储存氢气已成为全球氢气储存的主要形式[ 2 ]。尽管氢气很受欢迎，但以气体形式储存氢气仍具有挑战性，因为它是最轻的元素，必须保持在非常高的压力（即 350-700 巴）下才能达到实际密度 [ 3 ]。满足这些要求的储存氢气的常用方法是在碳纤维复合材料压力容器内储存。碳纤维的高强度允许建造重量存储密度是钢容器四倍以上的轻型储罐[ 4 ]。

      目前工业上常用的压力容器可分为五种类型[ 5 ]，如图1所示。 I 型容器设计和制造最简单，构成当今使用的大多数容器。 II、III 和 IV 型容器被称为复合材料包裹压力容器 (COPV)，通常利用碳纤维来承受部分或全部结构载荷，并使用金属或塑料衬里来容纳气体。许多地面运输应用都使用 IV 型容器，因为它们重量最轻，存储密度最高。两款著名的氢燃料电池电动汽车丰田 Mirai 和本田 Clarity 均使用工作压力为 700 bar 的 IV 型容器 [ 6 , 7 ]。

 

 

            图1 五种常见类型的压力容器

      圆柱形IV型容器的结构如图1所示。塑料内衬通常为 HDPE 或 PA [ 9 ]，用于防止气体泄漏。容器的末端设有极开口，并配有极凸台。凸台用于填充和排空容器，通常包括传感器通道 [ 10 ]。 I – III 型容器上的凸台通常与衬里集成在一起，但在 IV 型和 V 型容器中，它是单独的金属或复合部件。

     由于 IV 型船舶目前与许多行业相关，因此成为深入研究的主题。然而，复合材料压力容器技术的最新技术被称为 V 型。V 型或无衬里容器没有内衬，因此复合材料既充当气体屏障又充当承载结构。由于复合材料没有包裹在 V 型容器的内衬上，因此它们可以称为 CPV。无衬里消除了衬里和复合材料之间应变相容性的需要，从而提高疲劳性能并有可能实现 10-20% 的重量减轻 [ 11 , 12 ]。 V 型储罐可能的工作压力尚未得到充分探索[ 4 ]。

       传统上，COPV/CPV 采用长丝缠绕 (FW) 技术制造，这是一种将张紧的纤维带缠绕在旋转心轴上的技术。虽然这项技术功能强大且成熟，但它有一些固有的局限性。 COPV/CPV 的设计可以通过使用更先进的制造方法（主要是自动纤维铺放 (AFP)）来改进。 AFP 是传统纤维缠绕技术的演变，可提供高精度、高品质以及低损耗 [ 13 ]。

      V 型设计和 AFP 技术都具有提高氢气重量和体积密度的巨大潜力。然而，在商业采用并提供 IV 型储罐的可靠替代品之前，必须克服一些工程挑战。尽管有研究需要，但公开文献中还没有涵盖 V 型压力容器或 AFP 相关应用的综述文章。本文对 2000 年至今发表的 IV 型和 V 型压力容器的现有工作以及 V 型容器面临的挑战进行了批判性回顾。还介绍了纤维缠绕的制造限制，并讨论了用 AFP 替代该工艺的挑战和好处。最后，提出了 AFP 生产的无衬里储罐的新颖设计，这将构成未来工作的基础。

1.1 . IV 型压力容器的现有工作

     III 型和 IV 型压力容器采用全复合材料外包装，已被广泛研究并投入商业使用。表 1总结了与 IV 型压力容器相关的主要文献。值得注意的是，许多已发表的关于 III 型船舶的工作也与 IV 型船舶的设计相关，但是这里仅涵盖与 IV 型船舶专门相关的工作，以控制本次审查的范围。每件作品都根据其内容进行了分类。例如，如果出版物列在“材料”类别中，则它包含与材料相关的特定结果，而不仅仅是提及所使用的材料。通过查阅文献，数学理论（指提出控制方程和数学理论的论文）和压力容器分析得到了很好的涵盖，并且许多著作提供了试样和/或全容器规模的实验数据。然而，很少有作品详细讨论极毂和衬里的设计或结构健康监测。

 

 

1.2 . V 型压力容器的现有工作

      早在 20 世纪 80 年代，航空航天业就开始了 V 型船舶的研究工作 [ 47 ]。许多团体已经开发了用于商业应用或工业研究的 V 型储罐，但是现有的可供严格审查的同行评审文献非常有限。下面介绍了有关 V 型 CPV 设计和制造的几项工作。

      马利克等人。 [ 48 ]生产了许多不同尺寸的V型测试容器，并评估了它们的氦渗透性和机械性能。与同等的 I 型储罐相比，一种设计的存储容量增加了 15%，质量减少了 25%。另一种设计在检测到氦泄漏之前实现了 558.5 bar 的压力，爆破压力为 620.5 bar，接近汽车行业标准工作压力 700 bar。琼斯等人。 [ 11 ] 还设计和制造了全尺寸演示罐，经过 41.4 bar 的验证测试，并在 27.6 bar 的压力下循环了 2000 次。森本等人。 [ 49 ]准备了两个由富士重工有限公司采用准各向同性叠层模式制造的无内衬压力容器。这些容器在液氮温度下加压至11巴，并进行了氦泄漏测试。应变计和声发射测试用于评估容器的损坏。在低温下或之后未检测到损坏或泄漏。

      拉菲等人。 [ 29 ]研究了有衬里罐和无衬里罐的爆破压力预测，考虑了制造过程中存在的随机效应。作者发现，无衬里储罐的第一层失效和爆裂都发生在较低的压力下，Hashin 和 Hoffman 失效标准都能够准确预测无衬里储罐的第一层失效。

2 .使用纤维缠绕的传统制造

       除少数用于航天应用的燃料箱外，大多数压力容器均采用纤维缠绕制造。该过程自 20 世纪 40 年代以来一直在使用，虽然它以其精确性、自动化和低成本而闻名 [ 12 ]，但它有几个缺点（图 2），可能会限制其灵活性和优化潜力。

1.

      纤维缠绕在放置过程中使纤维处于张力下，因此只能缠绕凸面，因为凹面会导致纤维桥接。因此，容器的每一端都需要一个极性凸台或端部配件，以便纤维带缠绕并在到达圆顶端部时返回。这些金属极轴凸台使设计变得复杂并增加了质量。

2.

      纤维带需要在整个缠绕过程中保持连续，这会导致极轴周围积累过多的厚度。这可能违反应力计算中使用的基本壳理论假设 [ 50 ]。它还会导致圆顶加固所需的多余纤维被放置在圆柱体区域[ 51 ]。设计者无法自由地定制圆顶的厚度轮廓，而是与圆柱体区域的厚度和容器几何形状相关。

3.

      当它们受到张力时，纤维会自动对准测地线路径。为了实现非测地线路径，需要摩擦来防止纤维滑动[ 12 ]。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 .自动纤维铺放

     自动纤维铺放（AFP）和自动铺带（ATL）是机器人复合材料制造技术，被认为是最先进和最广泛使用的自动化复合材料制造方法[ 53 ]。 ATL 在相对简单的表面上高速铺设宽胶带（通常为 75-300 毫米 [ 54 ]），使其适用于大型开放式模具，例如飞机机翼蒙皮。然而，由于宽胶带中皱纹的积累，它在复杂轮廓或内部几何形状上表现不佳[ 53

      为了克服这些限制，AFP 被引入，其发展始于 20 世纪 80 年代 [ 55 ]。 AFP 使用比 ATL 更窄的丝束（通常为 3.175–12.7 mm [ 54 ]），并结合了长丝缠绕和 ATL [ 13 , 53 ] 的元素，以允许在弯曲表面上放置以及纤维在不同方向上的取向。然而，这种灵活性往往是以降低敷层速度为代价的。与纤维缠绕和 ATL 相比，AFP 工艺的一个显着优势是其执行牵引转向的能力。牵引转向涉及将纤维放置在非测地线轨迹上，以实现表面的完全覆盖并实现优化和可变刚度[ 56 ]。在 AFP 过程中（示意图如图 3所示），进入的丝束从一组线轴输送到压实辊。使用火炬或其他热源加热丝束，并通过辊压实以促进对现有层的粘合。在一段丝束（称为路线）结束时，用刀切割胶带，然后该过程可以重新开始。大多数 AFP 机器人可以同时放置多个丝束。几位作者最近对AFP 流程、其特征和缺陷、前景和局限性进行了全面的评论[ 13、53、55、57、58 ]。

 

 

              图3 .自动纤维铺放过程

3.1 .在压力容器中的应用

      AFP 现有的压力容器应用受到限制，为了保护知识产权，出版物中的细节经常被省略。美国能源部 (DoE) 氢计划对部分使用 AFP 制造的 IV 型压力容器进行了调查[ 39、51、60、61

      NASA 和波音公司合作开展了复合低温罐技术和演示 (CCTD) 项目。建造了两个直径分别为 2.4 m 和 5.5 m 的样品容器。两个容器均采用 AFP 技术由碳纤维/环氧树脂材料制成，较大的 5.5 m 储罐的制造如图 4所示。采用 3.125 毫米（1/8 英寸）和 6.35 毫米（1/4 英寸）丝束的组合，较细的丝束用在弯曲的圆顶区域。与传统的铝锂罐相比，重量和成本分别减少了 25% 和 30%。这些储罐使用低温 LH 2在 9.3 bar 下成功进行压力循环，并通过了各种测试，包括声发射检查和氦泄漏测试。 McCarville 等人在书中详细介绍了该项目。 [ 62 ]。

 

 

图4 .作为 CCTD 项目一部分的法新社制造的 5.5 m 直径低温罐

      在少数研究中，使用热塑性复合材料的激光辅助胶带放置 (LATP)也已应用于 COPV/CPV [ 44 , 63 ]。沙克尔等人。 [ 21 ]介绍了有关该主题的最详细的工作，第3.3节（将 AFP 应用于压力容器的挑战）和 5.1 节（压力容器构造中使用的材料）对此进行了讨论。沙克尔等人。使用 Composicad（一种纤维缠绕软件）设计了他们的储罐，因此该设计没有充分利用胶带放置技术的切割和重新启动功能，而这种功能可以使用专用的 AFP 编程软件来实现。 AFP 在压力容器上的大多数其他现有应用都是在比汽车应用更大的储罐上，其中所需的纤维缠绕设备的规模可能不切实际或无法满足设计要求。特别是，大型储罐已被研究用于在火箭或类似车辆中运输低温空间燃料，例如LOx和LH 2 。

       多伊尔等人。 [ 64 ]提出了使用热塑性CF/PEEK制成的低温燃料箱的设计。储罐的圆筒区域使用 ATL 生产，圆顶则通过手工铺层生产。提供的技术细节有限，但制造了样品平板以评估空隙率和基本强度性能。提出了一种非晶层间粘合技术来将圆顶连接到圆柱体上。它在粘合界面处使用了聚醚酰亚胺薄膜，当部件在受热作用下挤压在一起时，聚醚酰亚胺薄膜会熔化，从而形成结构粘合。

3.2 . AFP 对压力容器的潜在好处

图5 Fan 等人绘制的各种纵横比圆顶的无弯曲光纤角度映射

      虽然无弯曲压力容器的工作可能会影响未来的设计，但尚未得到实验证明。无弯曲设计也没有考虑到需要在容器的至少一端安装极性凸台，这会破坏所需的光纤图案。此外，实现必要的光纤角度所需的转向半径可能超过当前 AFP 设备的转向能力。从图 5 的圆顶中心可以看出所需的严格转向半径。一种可能的解决方案是“连续丝束剪切”(CTS)。金等人。 [ 70 ]使用定制的纤维铺放头，通过利用纤维内剪切特性，以小至 30 毫米的半径引导纤维，这比传统的约 500 毫米的最小半径有了很大的改进。然而，这项技术仍处于起步阶段，研究期间实现了高达 3 毫米/秒的低敷层速度。

3.2.2 .选择性强化

      选择性加固是使用 AFP 建造压力容器的第二个主要好处，因为它可以直接解决第2节中列出的第二个不足。除了前面讨论的美国能源部氢计划工作之外，没有文献具体量化 AFP 可以实现的可能改进。然而，使用桌布进行局部加固可以很好地表明潜在的改进。

     例如，Roh 等人。 [ 41 ] 对 IV 型容器进行了FEA优化，并通过圆顶中的桌布进行选择性加固。如图 6所示，垫布由碳纤维“条”组成，碳纤维“条”放置在圆顶上的螺旋层之间，纤维方向接近 90°，提供环向加固并允许减小螺旋层的厚度。作者报告称，理论上所需复合材料的数量减少了近 10%。卡尔塔夫等人。 [ 71 ]设计并建造了一个 III 型压力容器，使用垫布层进行穹顶加固。研究发现，添加垫布层可使爆破压力增加 29%，并将失效位置从圆顶移至圆柱体，这被认为更安全。

          图6 .圆顶中的桌布加固示意图

3.3 . AFP应用于压力容器的挑战

3.3.1 .缺陷控制

       与纤维缠绕相比，AFP 不太成熟，并且在商业产品上的应用也较少。 AFP 部件的质量高度依赖于大量变量 [ 13 ]。例如，滚筒的尺寸必须与零件曲率相匹配，以确保丝束的良好压实。如果匹配不正确，端部切割操作的精度可能会降低，并且可能会出现丝束滑动或桥接等缺陷[ [72]、[73]、[74] ]。奥罗米希等人。 [ 13 ] 和贝尔努埃等人。 [ 75 ]广泛审查了 AFP 缺陷、它们的产生以及对性能的影响。图 7描述了四种最常见的缺陷类型。间隙和重叠是丝束之间最常遇到的缺陷之一，并导致缺陷区域的厚度不均匀[ 13 ]。克罗夫特等人。 [ 76 ]发现间隙导致拉伸、压缩和开孔拉伸测试中强度的降低。相反，在每项测试中都发现重叠可以增加强度。沃伊克等人。 [ 77 ]对使用手工铺层模拟的 AFP 缺陷进行了类似的工作。作者发现，间隙或重叠本身对拉伸或压缩强度没有统计学上的显着影响，但当它们结合起来时，就会产生负面影响。

3.3.2 .身体限制

      AFP 工艺的物理限制也给压力容器制造带来了挑战。当前 AFP 打印头尺寸较大，这意味着如果考虑不当，可能会发生与零件或工具的碰撞。在太空应用中使用的火箭级储罐上，这不是一个问题，因为随着储罐直径的增加，AFP 头部与零件和工具之间的尺寸差异也会增加，为头部移动提供相对更多的空间。由于端部圆顶半径较小，坦克还需要更快速的头部运动，这可能会给机器人的控制器带来问题。在小型储罐上，即用于汽车应用，Schakel 等人。 [ 21 ]（之前在第3.1节中讨论过）提出了克服这一挑战的唯一工作。作者使用 Fraunhofer“多材料头”和激光辅助胶带放置 (LATP) 设置，制作了多个带有 PA6 内衬的直径 304 mm GF/PA6 样品罐。如图8所示，压实辊具有大直径并且是悬臂式的，使得胶带可以像纤维缠绕一样非常靠近车头放置，而不会发生碰撞。这些特征与常规的现成热固性贴装头明显不同，如图 8右侧所示，后者在两侧支撑滚轮。值得注意的是，LATP 头放置单个 12 mm 宽的胶带，而热固性头放置 4 × 6.35 mm 宽的胶带。从图 8的目视检查来看，热固性头无法将材料与主轴箱相切放置而不会发生碰撞，正如多材料头所实现的那样，这对大多数商用 AFP 硬件的制造带来了挑战。在不修改放置头的情况下，可以通过创新用于固定容器的工具和支撑结构来解决这一挑战。

图8 . LATP 制造小直径 CPV（左）（经参考文献 [ 21 ]许可复 制）和典型热固性 AFP 头（右）。

      曲等人。 [ 80 ]提出了一种模拟方法来评估 AFP 头到放置表面的可达性。他们的方法考虑了滚轮访问零件表面（位置空间）并将滚轮垂直于表面（高度空间）放置的能力。针对特定的 AFP 设置评估了可能的位置和高度空间，并用于验证样本工具表面的可访问性。在某些情况下，使用当前的 AFP 设备可能无法制造复杂的几何形状。海利等人。 [ 81 ]对复杂 y 形管的 AFP 铺层进行了模拟，如图9所示。人们发现，用传统的 AFP 设备很难覆盖该几何形状，因为所需的高度弯曲的纤维路径会导致丝束弯曲。作者指出，CTS 能够克服这个问题。此外，由于机器人关节活动范围的限制，还有许多区域无法实现覆盖。作者还假设贴装头足够小以避免碰撞，但这在现实世界的制造场景中并不成立。即使克服了碰撞困难，复杂的圆顶曲率和三维头部运动也会限制贴装速度。虽然在简单的几何形状上 AFP 敷层速率可以达到 150 kg/h，但随着复杂性的增加，可能有必要减慢敷层速度，或使用较短的路线或更窄的丝束 [ 82 ]。纤维缠绕受这种现象的影响较小，因此 AFP 和 FW 之间的制造时间差异应与其他优点和缺点一起考虑。

     图9 . Hély 等人使用的 Y 形管状几何形状。

       通过使用数字孪生深入了解 AFP 流程，可以解决这些制造挑战。数字孪生将物理过程与基于计算机的模拟相结合，以实现智能制造和复杂的过程控制[ 83 , 84 ]。赞巴尔等人。 [ 85 ]构建了干纤维 AFP 流程的数字孪生。收集有关缺陷和其他相关信息的实时数据。该模型能够在缺陷发生时使用有限元分析来计算缺陷的影响。同一作者还提出了一种使用人工智能在 AFP 流程中进行基于图像的缺陷检测的概率模型[ 86 ]。孙等人。 [ 87 ] 回顾了 AFP 制造中使用的各种在线缺陷检测技术。

4 . V型压力容器发展领域

      IV 型压力容器技术成熟并积极应用于商业应用。然而，V 型压力容器目前处于较低的技术准备阶段，缺乏可用的文献证明了这一点。在实现大规模采用之前，已经确定了必须解决的两个挑战领域：造和渗透控制。下面讨论每个领域。

4.1 .制造业

图10 CCTD 项目 2.4 m 坦克铺设工具（转载自公共领域图

4.2 .渗透

      众所周知， FRP 层压板由于其分子直径小和运动粘度高，对多种气体（特别是氢气）表现出高渗透性[ 15,88,89 ]。迄今为止，这一特性将无衬里压力容器限制在低压操作[ 9 ]（泄漏率较低）和低温储存（其中氢处于液态）。使用 AFP 时会遇到额外的挑战，因为与手糊相比，AFP/ATL 制造的层压板显示出更高的渗透性 [ 64 ]。美国能源部氢计划已指定储存氢气的最终泄漏目标为 0.05（克/小时）/千克，以帮助指导研究人员最大限度地减少渗透性的工作[ 90 ]。同样，亚当斯等人。 [ 91 ]提出20℃时最大允许渗透率为8.0(mL/hr)/L水容量。这种渗透主要由两种现象决定，如图 11 (a)所示。

       扩散导致加压气体吸附到容器壁中，扩散通过材料并解吸到大气中。 Humpenöder [ 92 ] 发表了有关复合材料中气体扩散的数学和概念背景的详细信息。

     基质中相互关联的微裂纹为气体逸出打开了“通道”，如图11 (b) 所示。

图11 （a）泄漏机制和（b）由于交叉基质微裂纹而产生的详细机械泄漏机制

     虽然这两种机制对总渗透贡献了可测量的量，但微裂纹引起的泄漏已被证明比扩散引起的泄漏高几个数量级[ [94]、[95]、[96] ]。在一些数学模型中，扩散甚至被忽略[ 97 ]。渗透性受到多种材料和环境因素的影响，包括温度、压力、基体特性、纤维分布、纤维类型和层堆叠顺序[ 20、98、99 ] 。然而，基于材料的特性已被证明对渗透性的改变小于一个数量级[ 100 ]。

     对于高压（即700巴）环境下聚合物的渗透性也知之甚少[ 20 ]。由于缺乏高压测试设备，渗透测量通常在低压下进行。藤原等人。 [ 101 ]构建并验证了 900 bar 渗透性单元来解决这个问题，但是，仅测试了聚合物而不是复合材料。典型的渗透池还测量卸载样品时的渗透性。这意味着大多数裂纹在测量过程中是闭合的，这并不代表压力容器的操作条件。劳弗等人。 [ 102 , 103 ]已经解决了这个问题，使用一种新颖的测试装置来测量加压圆柱形样品的渗透性。

      基体微裂纹是由复合材料层压板的机械和热载荷引起的，并且发生在层厚度上并平行于纤维[ 88 , 104 ]。这种裂缝的形成可以在容器壁上打开“通道”，使气体逸出，这通常被认为是复合罐的第一种失效模式[ 47 , 89 ]。虽然这些裂纹单独不会导致容器发生灾难性故障，但它们会导致层压板机械性能的整体恶化，并且可能会扩大导致储罐完全失效[ 104 ]。因此，对于设计人员来说，了解这些裂纹的形成以及它们如何影响储罐的性能非常重要。

4.2.1 .纤维复合材料透气性的实验评估

     几位作者研究了复合层压材料的透气性。现有的大部分工作都是在低温下进行渗透的，但许多出版物也包括室温下的结果。人们发现气体泄漏率随着机械应变、裂纹密度和温度的降低而增加，并且随着裂纹交叉角度的变化而变化[ [105]、[106]、[107]、[108] ]。铺设顺序也会影响渗透性，相同角度的层被分组而不是分散在整个厚度的层压板已显示出泄漏增加[ 106 ]。此外，复合织物类型会影响渗透性，缝合材料表现出比未缝合材料更高的渗透性[ 109 ]，层压复合材料表现出比纺织复合材料更高的渗透性[ 106 ]。

      弗拉纳根等人。 [ 95 ]研究了使用常规手糊和热压罐技术以及热塑性ATL制造的热固性和热塑性复合材料的渗透性。渗透率值与纯PEEK和PVC进行了比较。使用高压釜固化制备的所有样品均表现出近菲克行为。这是一个有趣的观察，因为菲克定律描述了通过均质材料的扩散，而复合材料不是均质的。然而，使用 ATL 制作的样品不遵循菲克定律，并且泄漏率表现出 70% 的显着方差系数。作者将此归因于使用显微照片识别出的 ATL 层压板中存在微裂纹、脱粘和其他不连续性。此外，发现热固性和热塑性复合材料的渗透性处于同一数量级。

4.2.2 .层压复合材料的透气率建模

       与扩散率一样，微裂纹敏感性可以测量和建模。典型的断裂力学和基于强度的方法无法令人满意地模拟微裂纹，因为裂纹往往立即形成，而不是像传统裂纹那样生长。对这种现象进行建模的工作主要可以分为两个领域：实验/经验方法和数值方法。

      Nairn [ 104 ] 提出了一种经验有限断裂力学方法。基于能量的模型确定，当裂纹形成过程中释放的总能量达到表示微裂纹断裂韧性(MFT)的临界水平时，就会形成新的微裂纹，或者    

       袁等人。 [ 116 ]产生了用于渗透率预测的有限元分析模型。该模型成功预测了三种不同样本在室温和低温下的渗透率。徐等人。 [ 117 ]还建立了一种基于有限元的方法，用于预测交叉层合板的渗透率。渗透率是根据裂纹密度、开口位移和实验确定的常数来确定的。研究发现，裂缝密度和开口位移对渗透率有显着影响，因为它们决定了交叉面积。发现裂纹密度比开口位移具有更大的影响。 O Brádaigh 等人。 [ 32 ] 使用 X 射线扫描和显微镜来绘制低温循环裂纹扩展图。该数据被输入到组合的XFEM粘性区域模型中，用于未来的微裂纹预测。与薄的层压板相比，在厚的层压板部分检测到更多损坏，这表明残余应力是造成这种情况的原因。

        最近，埃伯曼等人。 [ 8 ]比较了确定复合材料有效渗透率的分析方法和数值方法。使用两种分析方法（Weiner 界限、Hashin-Shtrikman 界限）和代表性体积元素的数值 FEA 计算对层压板性能进行均质化，并对结果进行比较。数值和分析结果非常吻合，扩散显示为未损坏层压板渗透的主要驱动力。然而，一旦引入小阈值体积（<1%）的裂缝，渗透率就会显着增加。超过这个阈值，裂缝体积对渗透率影响很小。

5 .材料和材料增强

图12。在 LN ₂温度下淬火的层压板的光学显微照片（a）用 nCuO 生产，（b）PDA 涂层 nCuO

5.2.3 .减少渗透的后续步骤

        显然，有多种方法可以有效提高复合材料层合板的断裂韧性并降低氢渗透率。然而，现有工作主要处于样本规模，需要系统级评估。在储罐层面，应使用美国能源部 (US DoE) 单位（克/小时）/千克储存的氢气来测量渗透率，以便与目标泄漏率进行直接比较。此外，用于实现这些改进的制造工艺的可扩展性必须在储罐级别进行评估。对于薄层材料，应研究与生产所需厚度所需的额外制造时间和面积纤维要求相关的额外成本。例如，使用厚度为常规丝束一半的薄层丝束可能会使放置/卷绕时间加倍，因为需要两倍的层数才能达到相同的厚度。对于纳米修饰，引入修饰的方法可能在样品规模上有效，但不适用于纤维缠绕或 AFP。例如，与平面样品相比，在大的弯曲表面上的喷涂更难控制，并且纳米颗粒与纯树脂混合的方法可能不适用于主要使用预浸料材料的 AFP，尽管干纤维 AFP 是可能的。137、155、156 ]。最后，现有的工作主要应用于使用手糊技术制作的样品。由于常见缺陷以及与传统手工铺层相比，AFP 的技术成熟度普遍较低，应用于 AFP 生产的层压板时，结果可能会有所不同。

6 .成本

      复合材料压力容器的成本是其在工业中采用的主要因素。使用 FW 制造的 IV 型压力容器目前在全球许多应用中使用，纤维缠绕被认为是一种“经济实惠”的复合材料制造技术[ 12 ]。与应该理解的现有技术相比，V 型技术和基于 AFP 的制造都将在不同领域带来成本节省和损失。

       阿泽姆等人。 [ 12 ]给出了I-IV型压力容器每升的成本。 IV 型 COPV 的价格是 I 型的 3.5 倍，是 II 型的 2.2-2.5 倍，是 III 型的约 1.3 倍。这些值不适用于特定的工作压力。作者承认了 V 型，但没有提供任何成本信息。 Hua 等人指出，存储压力也会对成本产生影响。 [ 157 ]建立了IV型储罐的成本模型并比较了不同的压力。 350 bar 和 700 bar 储罐的成本分别为 15.4 美元/kWh 和 18.7 美元/kWh（美元）。在这两种压力下，碳纤维材料构成了大部分成本，其他几位作者也得出了这个结论[ 12,158,159 ]。较高压力的 700 bar 储罐的成本不会是 350 bar 储罐的两倍，因为在增加存储压力时，许多制造设备和工厂的平衡不会发生显着变化。 Sun 等人也发现了类似的结果。 [ 159 ]，他分析了汽车应用的 III 型氢罐的成本。作者发现，材料成本与存储压力呈非线性关系，即压力加倍并不会使成本加倍。作者发现优化成本和存储密度的操作压力为 500-550 bar。这明显低于目前汽车行业使用的 700 bar IV 型储罐。

       基于 AFP 的压力容器制造的成本效益也尚未得到详细研究。与其他方法相比，AFP 的成本效益因零件尺寸和几何形状而异，该工艺最适合可以保持高铺层率的大型零件[ 160 ]。美国能源部氢计划对使用 FW 与混合 AFP/FW 方法制造的 IV 型 COPV 进行了全面的成本评估 [ 39 ]。通过在与主容器分开的生产线（即并行）上生产圆顶的 AFP 加固材料并将其集成到第二步中，实现了最低成本。这节省了 11% 的成本并减少了 15% 的材料。尽管 AFP 的材料沉积率明显低于 FW（0.9 kg/h vs 13.2 kg/h），但仍实现了这些节省，因为作者计算出在 500,000 规模的情况下，材料成本占容器总成本的 84-90%每年单位，这意味着机器利用率是优化复合材料铺层的次要因素。

使用 AFP 时的另一个成本考虑因素是需要进行检查。 Björnsson [ 82 ] 发现 AFP 机器总时间的 32% 用于检查零件。同样，上篮时间估计低至 24-26% [ 55 , 161 ]。为了改进这些统计数据，许多作者研究了自动检查技术。萨科等人。 [ 162 , 163 ] 开发了 ACSIS 系统，使用激光轮廓测量和机器学习进行缺陷跟踪，用于自动层检查。克罗姆霍尔茨等人。 [ 164 ]使用激光边缘检测来检测与指定铺层路径的偏差并即时纠正它们。此外，奥罗米希等人。 [ 13 ]和布拉辛顿等人。 [ 55 ] 最近审查了 AFP 的检查技术。

7 .商业标准

       在压力容器中采用 AFP 和 V 型技术的最后一个重要考虑因素是其符合标准的能力。 COPV/CPV 的设计、制造和认证有许多标准。许多国家都有自己的本地标准，但 ISO（瑞士）、ASME（美国）和 EN（欧洲）标准在全球范围内广泛使用。梅尔等人。 [ [165]、[166]、[167]、[168] ]从安全性和有效性的角度广泛研究了复合压力容器法规。表 3列出了主要的复合压力容器标准及其对 V 型储罐和 AFP 的覆盖范围。对于公共领域之外无法访问的标准，在标准的公开摘要或描述中找不到的信息已被标记为“未知”。一些相关的非现行标准也已纳入其中。一般来说，这些标准未能充分涵盖 V 型压力容器和使用 AFP 的制造中一些标准涵盖无衬里（V 型）储罐，从而可以验证灯丝是否为 V 型储罐。然而，这些标准主要是为涵盖 IV 型船舶而编写的，仅包含少量额外条款来封装 V 型船舶，而不是具体和定制的设计、测试和认证信息。就 ISO 11119-3 2013 和 2020 而言，无衬罐的工作压力上限远低于 700 bar 的行业标准压力。在该标准中，IV型和V型储罐的允许渗透率是相同的，这意味着无衬里储罐必须达到与IV型储罐中的专用衬里相同的低渗透性才能获得认证。没有标准明确承认 AFP 是可接受的制造工艺。一些标准规定长丝缠绕和/或完全连续纤维作为要求。这实际上消除了使用 AFP 的能力，因为 AFP 工艺的一个关键优势是能够合并不连续的纤维带以实现局部加固。其他标准则更加含糊，并使用“缠绕”或“缠绕”等术语，暗示纤维缠绕，但没有明确要求。一些标准还要求罐体是一体的。这限制了合规制造工艺的范围，因为可能的储罐架构较少。

8 . AFP 生产的 V 型压力容器的新颖设计

      考虑到所提出的文献综述的结果，AFP 制造的 V 型 CPV 的设计已经完成，它将构成未来实验工作的基础，并解决本次批判性综述中发现的差距。悉尼新南威尔士大学先进复合材料自动化制造 ARC 培训中心配备了具有热固性和热塑性塑料放置能力的 Automated Dynamics AFP 机器人以及协调主轴，使该中心能够很好地开发 COPV 和 CPV。

       图13 法新社提出了新型 V 型压力容器概念。

        图 13描述了设计概念，该初始设计旨在解决与本次审查中确定的 V 型储罐相关的制造挑战。热固性储罐由两半构成，两半在可折叠工具上分别制造并在粘合在一起之前进行固化。这形成了无衬里的复合心轴，其上包裹有额外的连续层。将储罐分成两半生产，避免了使用可溶解的核心，并允许在大规模生产场景中同时制造每一半。独特的是，该坦克仅在一端使用极地凸台，另一端完全包裹。该功能具有减轻重量的优点，并且只能使用 AFP 来实现，因为它需要丝束脱落和穿过圆顶中心的纤维路径，而使用长丝缠绕很难实现这一点。沿着气缸区域并入可变角度牵引以调整刚度。为了分析和优化储罐设计，开发了一种新颖的 FEA 流程，将 CGTech VERICUT VCP（一种 AFP 编程软件 [ 186 ]）链接到 ANSYS，以对 AFP 铺层进行半自动分析。

      将这一概念转化为现实的下一步包括定制可折叠工具的设计和制造以及原型罐制造测试。首先，两个半容器的光纤路径将使用 VERICUT VCP 进行编程。然后，通过在可折叠工具上制作两半并将它们粘合在一起（如图13所示），制造原型容器，并嵌入光纤传感器以进行结构健康监测。此步骤旨在验证工具设计和 AFP 光纤路径编程。 3D 扫描将用于将零件的实际几何形状和厚度与计算机模型进行比较。在极轴凸台安装和容器粘合后，将进行静水压力测试，并使用嵌入式传感器记录应变，以便与有限元预测进行比较。完成初步工作后，容器将被穿过储罐两半的丝束包裹，以增加加固和压力能力。外包裹纤维路径将利用转向纤维来创建可变刚度层压板，这不仅是纤维连续性所必需的，而且充分展示了 AFP 相对于纤维缠绕的优势。最后，将进行减少渗透、更高效、更准确的模拟以及改进的工具设计方面的研究，以推进该项目。

9 .结论

       这篇批判性评论总结了 IV 型和 V 型复合压力容器的当前进展，并讨论了与其开发进展相关的关键挑战。此外，还讨论了使用 AFP 作为替代传统纤维缠绕的制造工艺。纤维缠绕受到多种限制，降低了其灵活性，包括需要纤维连续、无法在没有纤维桥接的情况下缠绕凹面以及由于摩擦限制而导致非测地路径能力最小。 AFP 可以通过其选择性强化和增值税功能来解决这些限制，从而有可能进一步优化复合材料压力容器设计。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级储罐。需要进行额外的工作来解决 AFP 头的较大物理尺寸对较小的汽车和航空航天规模容器造成的干扰。V型压力容器目前面临着制造工艺和透气性降低方面的挑战。为了生产无衬里容器，必须移除内部敷层工具。水溶性芯通常用于此目的，但可能不适用于所有设计并且不可重复使用。坚固的内部可折叠工具已在较大规模的储罐上得到验证，但在较小的储罐上却没有得到证实，因为极开口尺寸减小，内部通道也很困难。其次，需要进一步了解和减少复合层压板的气体渗透。复合材料层压板中基体微裂纹的存在对其气体阻隔性能有显着影响。虽然主要通过薄层材料和纳米改性来降低渗透性的机制已在样品水平上得到证实，但仍需要进行系统水平评估。此外，AFP 对渗透性的影响尚未得到广泛研究。COPV/CPV 制造的商业标准已经过审查，突出了 AFP 生产和 V 型船舶的覆盖范围差距。随着这些技术的发展不断进步，标准应该更新以保持与最新技术的相关性。引入 V 型技术和 AFP 制造对成本的影响还需要进一步的工作，但是，与 FW 相比，AFP 中材料使用量的减少所带来的成本节约已在原型设置中得到证明。最后，介绍了 AFP 生产的 V 型压力容器的新颖设计。未来的工作将包括使用这一概念的 AFP 进行详细设计、材料级测试和原型制造，以解决现有的技术挑战。

    本文来源；A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing