引言

隨著全球對氣候變化的關注日益增加，氫能作為一種清潔能源備受矚目。特別是在航空領域，氫能因其高能量密度和零碳排放的特性，被視為未來替代化石燃料的理想選擇。然而，液態(tài)氫（LH2）的儲存和運輸面臨著巨大的技術挑戰(zhàn)，尤其是在極低溫（-253°C）和高壓（4 bar）條件下。為了應對這些挑戰(zhàn)，研究人員正在開發(fā)新型的復合材料儲罐，以替代傳統(tǒng)的金屬儲罐，從而減輕重量并提高耐久性。

本文將介紹一項由瑞典RISE研究所主導的研究項目，該項目旨在設計和制造一種無襯里的復合材料儲罐，用于液態(tài)氫的儲存。文章將詳細討論儲罐的設計、制造過程以及低溫測試結果，并探討其在未來航空應用中的潛力。

氫能的高能量密度使其成為航空領域的理想燃料，但為了減少儲罐體積，氫必須以液態(tài)形式儲存。液態(tài)氫的儲存溫度極低（-253°C），且需要保持一定的壓力（4 bar）。傳統(tǒng)的金屬儲罐雖然能夠滿足這些要求，但其重量較大，且長期使用中容易出現氫脆問題。相比之下，碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）具有輕質、高強度的特點，是未來航空儲罐的理想選擇。

然而，CFRP儲罐在低溫環(huán)境下也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，纖維與基體之間的裂紋可能在遠低于纖維破壞應力的情況下出現，導致氣體泄漏和壓力損失。為了防止泄漏，通常需要在儲罐內部添加金屬或聚合物襯里，但這會增加重量，并可能因熱膨脹差異導致襯里疲勞或與儲罐壁分離。因此，無襯里（Type V）復合材料儲罐成為了研究的重點。

2. 設計與材料選擇

2.1 設計需求

液態(tài)氫儲罐的設計需要考慮多個因素，包括儲存溫度、壓力、循環(huán)使用次數以及熱應力等。在本次研究中，儲罐的設計目標是能夠承受每天至少3次充放循環(huán)，持續(xù)20年（約20000次循環(huán)）。此外，儲罐在正常操作中不會完全排空或加熱超過110°C，只有在年度維護時才會完全排空和加熱。

2.2 材料選擇

儲罐的復合材料部分采用了Oxeon公司生產的TeXtreme?薄層單向（UD）帶材，纖維為Pyrofil? TR50S碳纖維，基體為適合低溫應用的環(huán)氧樹脂。通過濕法纖維纏繞工藝制造，最終的單層厚度約為0.10 mm。為了確保材料的低溫性能，研究人員在室溫和-253°C條件下對材料進行了詳細的力學性能測試，并確定了熱膨脹系數（CTE）。

鈦合金（Ti-6Al-4V）被選為端蓋材料，因其低密度和與復合材料相近的熱膨脹系數。端蓋通過增材制造（3D打?。┘夹g生產，以確保復雜的雙曲面形狀和均勻的厚度。

3. 設計過程

3.1 設計概念

儲罐的設計采用了復合材料圓柱體與鈦合金端蓋結合的方式。復合材料圓柱體通過濕法纖維纏繞工藝制造，而鈦合金端蓋則通過增材制造技術生產。這種設計旨在最大限度地減少熱應力，并確保在低溫條件下的結構完整性。

3.2 初步設計

為了減少鈦合金端蓋與復合材料圓柱體之間的熱應變不匹配，研究人員選擇了±41°的纏繞角度，以使復合材料的熱膨脹系數與鈦合金相匹配。通過經典層壓板理論（CLT）計算，確定了在-253°C條件下的熱應力和失效壓力。

3.3 詳細設計與有限元分析

為了進一步優(yōu)化設計，研究人員使用有限元分析（FEA）模擬了儲罐在熱載荷和內部壓力下的應力分布。分析結果表明，粘接接頭是設計的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在低溫條件下，粘接層的應力可能超過其強度極限。因此，設計中對粘接接頭的長度進行了調整，以確保在10 bar壓力下的安全性。

4. 制造與組裝

4.1 復合材料圓柱體的制造

復合材料圓柱體通過濕法纖維纏繞工藝制造，采用了20 mm寬的薄層帶材。為了確保低孔隙率和高纖維體積分數，研究人員在纏繞過程中使用了干法壓縮層和干法環(huán)向纏繞層。最終，圓柱體的纖維體積分數達到了51%。

概覽裝配圖

4.2 金屬端蓋的制造

鈦合金端蓋通過直接能量沉積（DED）技術進行增材制造。制造過程中，端蓋的復雜形狀和均勻厚度得到了保證。為了釋放內部應力，端蓋在加工前進行了退火處理。

a端蓋采用 5 級鈦合金DED 打印，b管、端蓋和外環(huán)之間的粘合接頭。藍色源于加工前的退火

4.3 組裝與粘接

復合材料圓柱體與鈦合金端蓋通過環(huán)氧樹脂粘接劑進行連接。組裝過程中，研究人員對粘接表面進行了清潔和處理，以確保粘接質量。組裝完成后，儲罐通過了真空泄漏測試，確保無泄漏。

5. 測試與結果

5.1 循環(huán)測試

兩個儲罐在西班牙的INTA-CEAES設施中進行了20次充放循環(huán)測試，使用了液氮（LN2）模擬液態(tài)氫的儲存條件。測試過程中，儲罐的內部壓力達到了4 bar，未發(fā)現泄漏或損壞跡象。

循環(huán)試驗開始時的壓力、重量、溫度和應變歷史

5.2 爆破測試

其中一個儲罐在爆破測試中達到了近30 bar的壓力，最終在29.4 bar時發(fā)生破裂。測試結果表明，儲罐的復合材料部分在高壓下表現出良好的強度，破裂發(fā)生在圓柱體的中央部分，而非粘接接頭處。

爆破試驗的壓力、溫度和應變歷史

6. 未來設計與開發(fā)的啟示

本次研究展示了無襯里復合材料儲罐在液態(tài)氫儲存中的潛力。與傳統(tǒng)的金屬儲罐相比，復合材料儲罐的重量減輕了60%，且能夠承受高達30 bar的壓力。未來的設計可以進一步優(yōu)化端蓋的重量，并探索全復合材料儲罐的可能性。此外，還需要對粘接劑在低溫條件下的性能進行更深入的研究，以確保儲罐的長期可靠性。

7. 結論

通過本次研究，研究人員成功設計、制造并測試了一種無襯里復合材料儲罐，用于液態(tài)氫的儲存。儲罐在循環(huán)測試和爆破測試中表現出優(yōu)異的性能，證明了其在未來航空應用中的潛力。

在未來的設計和發(fā)展中，金屬端蓋和全復合材料儲氫罐各有優(yōu)劣。金屬端蓋雖然有一些缺點，比如需要粘結接頭、比重大、熱應變匹配困難，但它也有很多優(yōu)勢，如可作為標準部件生產，設計靈活性高，便于連接各種設備等。而全復合材料儲氫罐雖然有望進一步減輕重量、減少熱應變，但在制造工藝上還面臨挑戰(zhàn)，不同部件的制造和連接需要更深入的研究。

此外，目前的研究還存在一些不足。比如，測試循環(huán)次數遠遠低于實際應用所需的 20000 次，這意味著我們對儲氫罐長期性能的了解還不夠。而且，在低溫條件下，粘合劑的性能研究還不夠充分，薄鋪層復合材料的原位強度測試方法也有待進一步開發(fā)。未來，我們需要更好地理解儲氫罐與其他系統(tǒng)的相互作用和集成，明確設計載荷和安全系數，考慮材料性能的變化，不斷優(yōu)化儲氫罐的設計和制造工藝。

無內膽復合儲氫罐為氫能源在航空領域的應用帶來了新的希望。雖然目前還面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著科研人員不斷深入研究和技術的持續(xù)進步，相信在不久的將來，它能夠克服這些難題，為航空業(yè)的綠色發(fā)展注入強大動力，助力全球氫能源產業(yè)邁向新的高度。

參考文獻：

1.Sloop, J.L. (1978). Liquid hydrogen as a propulsion fuel, 1945–1959. NASA SP-4404.

2.Air, A., Shamsuddoha, M., Prusty, B.G. (2023). A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing. Compos. B.

3.Zheng, H., Zeng, H., Zhang, J., Sun, H. (2018). The application of carbon fiber composites in cryotank. In: Ares, A.E. (ed.) Ch. 5 in solidification. IntechOpen.

4.Liu, N., Ma, B., Liu, F., Huang, W., Xu, B., Qu, L., Yang, Y. (2021). Progress in research on composite cryogenic propellant tank for large aerospace vehicles. Compos. A.