Towpreg：与 Voith 合作打造更小、更轻的 70MPa储氢气瓶
摘要
福伊特与亨斯迈先进材料公司合作开发新型丝束预浸料生产工艺，用于生产高性能的氢复合压力容器。该工艺通过优化丝束浸渍树脂系统，实现压力容器高性价比、高存储容量及安全性。开发的IV型700 bar H2储罐性能显著改进，满足汽车行业质量标准。最终，双方联合开发的即用型H2驱动系统，包括H2外围设备和电气控制，为重型卡车提供长续航里程和出色性能。
正文
福伊特和亨斯迈先进材料公司合作满足行业对安全、轻量化和高质量氢复合压力容器的需求。此次合作旨在通过使用丝束预浸材料实施新的大规模生产工艺，实现压力容器的最佳性价比。
凭借福伊特和亨斯迈在纤维缠绕产品方面的经验和专业知识，两家公司正在建造更高存储容量的储罐，同时又不影响高压下的安全性，旨在实现批量生产。 Carbon4Tank 700-bar H2 借助丝束浸料（用最佳数量的树脂预浸渍的高细丝数）实现了最佳性价比，是一种改进的可持续氢气储存解决方案，符合汽车质量标准。
更高存储密度的氢气罐
与传统的 IV 型储罐设计相比，开发的用于氢动力零排放卡车的 IV 型 700 bar H2 储罐显示出显着的性能改进（图 1）。
图 1：结果适用于采用新型丝束预浸系统的 IV 型 700 bar 氢气罐 Voith Composites Carbon4 Tank GEN II- 700 bar IV 型氢气罐，氢气容量为 15.5 kg，长度为 2,140 mm，直径为 555 mm
凭借福伊特 H2 储罐设计的性能优势，亨斯迈先进材料公司的新型丝束浸渍树脂系统帮助福伊特改善了新储罐的总拥有成本 (TCO)，同时满足汽车行业的质量和安全标准。
安全氢气储存的严格要求
卡车制造商对氢气罐的要求明确且严格。所谓的 IV 型压力容器必须确保在高达 700 bar 的高压下储存压缩氢气。因此，复合材料容器需要满足以下要求：
符合汽车标准：UN/ECE 法规 n°134 管辖
容器需要承受各种温度下的冲击和耐化学腐蚀试验疲劳循环的技术要求，以确保氢气储存和运输的安全；
与大规模生产兼容：项目需要满足通过高速生产和可重复性实现的行业产量和成本目标；
轻量化：更轻的压力容器可实现更高的存储容量，从而实现更远的航程和更高的有效载荷；
福伊特复合材料和亨斯迈先进材料公司联手，确定丝束聚酯纤维生产工艺为最佳解决方案，因为它具有多种优势。由于丝束浸渍生产线的运行速度高达 100 m/min，因此可以提高生产率。出色的质量控制可确保在清洁的工艺环境中获得最佳的树脂含量和可重复的高质量和安全罐。
与传统的纤维缠绕相比，额外的缠绕可能性可以减少复合材料的壁厚，从而减少材料消耗和整体压力容器重量。
两家合作伙伴结合各自的专业知识和专业知识，开发了新一代碳纤维丝束预浸材料，专用于生产高性能 700 bar IV 型储氢罐：亨斯迈先进材料专注于配制具有优化热机械性能的环氧基树脂系统性能和工艺简便性，而福伊特复合材料致力于储罐设计、认证和自动化流程，以实现具有成本效益的大规模生产，从而提高 H2 高压储罐的经济效益。
新一代丝束预浸料的开发
开发了一种新的环氧基配方，为丝束预浸材料提供了更长的储存可能性、特定的流变性、粘性和碳纤维丝的内聚力，以在不牺牲热机械性能的情况下优化储罐生产。丝束浸丝线轴生产后，
ARALDITE ®
丝束浸丝解决方案可在 23°C 下储存长达 3 个月，从而减少物流问题、能源消耗、储存成本和耗时的操作。流变特性使碳丝束在丝束浸料生产过程中能够以高达 100 m/min 的速度得到良好的浸渍。对室温下特定的树脂粘性和粘度进行微调，最终实现丝束刚度和悬垂性之间的最佳平衡。碳纤维长丝在缠绕过程中保持在一起，并且在低张力和高张力下沉积在储罐敷层上时可以展开，以达到合适的带宽。
在压力罐的生产过程中，丝束预浸料的初粘性可实现机器的最大卷绕速度（高达 6 m/秒），并将丝束精确地放置在预定路径上。高度精确的纤维铺放以及在不打滑的情况下达到较低缠绕角度的可能性，可以优化缠绕模式和设计（图 2）。
图2：具体绕线型式
树脂系统的开发以及压力罐的设计优化都受益于亨斯迈提供的固化动力学模拟专业知识。固化模拟提供了一个有价值的工具，可以快速评估固化周期变化的影响并深入了解模拟零件的所有区域。已生成详细的材料数据模型，以准确预测放热温度、固化程度和玻璃化转变温度 (Tg)。这是加速产品开发和优化制造的强大工具，从而提高零件质量并缩短生产周期时间。图 3 显示了罐固化周期期间的温度分布，以控制放热温度并预测固化行为。优化了罐体的整体固化周期，以提高产量并达到树脂系统的最佳固化程度，以确保安全。热机械静态、动态性能以及耐化学性由树脂系统控制，并经过优化，可以在储罐的使用寿命期间安全地承受极端的要求。
总之，由于线轴的快速内部生产、出色的卷绕速度和受控的固化周期，这种新型丝束浸渍材料可以提高生产率；新叠层设计的新缠绕可能性；生产参数的良好控制和再现性可确保压力罐使用寿命期间的质量和安全，并缩短固化时间以提高生产率。
优化丝束浸渍材料的使用，实现 H2 IV 型储罐的经济高效且全自动生产
福伊特确定了多种提高 TCO 的方法：
丝束预浸材料的内部生产通过降低供应链的成本驱动以及储存和运输成本，优化了氢气罐的价值链；
通过在线控制和监测的浸渍工艺实现极低的废品率，以达到最高的汽车质量标准，减少浸渍工艺以及随后的卷绕工艺中的材料消耗，通过使碳具有最佳的机械性能来降低成本并减轻罐体重量材料;
新的缠绕可能性（小角度能力）提供的设计能力可以减少层压板的厚度。这将使每公斤复合材料具有卓越的氢气存储能力。得益于全自动生产线，整个生产过程的生产率得以提高；更高的绕线速度（比 WFW 快三倍）；新树脂配方快速固化；
根据 Composite 4.0 原则，经过深思熟虑的生产布局有利于成本效益，同时减少错误和缺陷。
即插即用氢气存储系统满足卡车 OEM 要求
福伊特复合材料和福伊特驱动联合开发了一套完整的重型卡车即用型 H2 驱动系统（图 4）。包括H2外围设备和电气控制在内的完整系统具有出色的性能和较长的使用寿命是令人信服的特点
该模块化、基于平台的即插即用存储系统配有 4 至 8 个 IV 型氢气罐。与电池电动版本相比，700 巴氢气罐重量轻且壁薄，可将卡车的有效载荷增加约 5 吨，并提高空间效率。完整的储氢模块，从储氢罐喷嘴到燃料电池入口，是一个经过测试且可立即安装的系统，具有汽车系列质量的 700 巴，充电时间不到 10 分钟即可行驶。福伊特即插即用 H2 存储系统适用于长距离，续航里程可达 1,000 公里。
“这个共同项目完美地说明了信任合作如何能够加速开发和上市时间”，Simon Burkel 说道。 “分享专业知识并了解彼此的限制和需求对于这一开发的成功至关重要”，Carolin Cichosz 补充道。消息来源；HUNTSMAN
