到2050年实现零排放的全球目标，正在推动着复合材料压力容器的快速增长。

复合材料的压力容器

高压气体储存容器是先进复合材料尤其是纤维缠绕碳纤维复合材料的最大且增长最快的市场之一。虽然它们可被用于自给式呼吸装置以及为航空航天器提供氧气和气体储存，但主要的终端市场却是对液化丙烷气（LPG）、压缩天然气（CNG）、可再生天然气（RNG）以及氢气（H2）的储存。虽然LPG气罐可用于汽车，但发展中国家的烹饪和取暖市场对它的需求也在不断增长。

压缩天然气（CNG）、可再生天然气（RNG）和氢气（H2）等燃料系统已越来越多地被用于轿车、公共汽车、货车和其他车辆中，或者也用于被称作“移动管道”的补给加气站或工业场所的大宗运输中。在车辆应用中，这些燃料储罐是实现减排或取代汽油、柴油和喷射燃料的清洁零排放动力系统的重要组成部分。这些动力系统还为电池驱动的汽车提供一种免充电选项，所需的加气基础设施和加气时间与添加石化燃料类似。

何谓V型压力容器？

截止目前，设计用于高压下储存液体和气体的压力容器和储罐的发展经历了四个不同的阶段：全金属储罐（I型）、复合材料缠绕金属储罐（II型）、碳纤维增强塑料（CFRP）缠绕金属内胆储罐（III型）和碳纤维增强塑料（CFRP）缠绕塑料内胆储罐（IV型）。而压力容器的第五个阶段——全复合材料的无内胆储罐（V型），是指不含任何内胆、完全采用复合材料加工而成的压力容器，长期以来V型压力容器一直被认为是压力容器行业产品和技术的制高点。

国外全碳纤维复合材料V型压力容器的关键技术

1、CTD公司研发出V型高压储气瓶

2020年年初，位于美国科罗拉多州拉斐特的复合材料技术开发公司（Composites Technology Development Inc，CTD）与美国空军研究实验室、德克萨斯大学合作，成功地设计、测试并制造了第一台商用、全CFRP无衬里的压力容器，并将其安装在FASTRAC 1卫星上，1.9L储罐的直径约为6英寸（152毫米），直径为7至8英寸（长度为178至203毫米），重量仅为0.44磅（0.2千克）。

复合材料中的碳纤维采用了美国东丽复合材料公司（Toray Composite Materials America，Inc.）提供的T700级碳纤维进行细丝缠绕，并采用CTD专有的KIBOKO增韧环氧树脂润湿。它的工作压力为200 psi，极限压力为1,000 psi，破裂压力为2,000至2500 psi。该罐用于存储氩气，作为卫星微放电等离子推进器的组成部分。与传统的IV型瓶相比，CTD公司的全CFRP无里衬储气瓶重量将轻15％至20％，这对于航空航天工业中具有显着的性能优势，因为该行业对有效载荷重量极其敏感。但是，轻量化并非V型压力容器的唯一优势，CTD公司研究表明，V型压力容器全面投入生产后，其制造成本将降低，最明显的原因是它消除了内衬材料和衬套制造成本。

CTD公司对V型压力容器大批量应用的期望在于三个主要技术领域的创新：材料、设计和工具。使用单一材料制造储罐意味着需要开发一种层压系统，该系统不仅可以在压力下提供足够的结构强度，而且至关重要的是还要形成阻隔层，防止气体、燃料和其他物质的渗透。公司介绍说其KIBOKO增韧树脂系列（主要基于环氧树脂）是CTD成功开发出V型压力容器的关键。

2、ICT公司研发出V型高压低温储罐

2020年4月，位于美国俄克拉荷马州塔尔萨市的Infinite Composites Technologies（ICT）公司宣布，其成功研制出球形、无衬里、全复合材料低温冷冻储罐，该储罐主要是一种用于将低温推进剂储存在火箭动力运载火箭上的压力容器。用于太空旅行的运载火箭需要储存大量燃料，典型的火箭推进剂（如氧气、氢气和氮气）可以在室温下以气体形式存储，但是由于气体的密度相对较低，因此为太空发射而存储足够的气体推进剂将需要非常大的储罐，这增加了航天器的重量并限制了飞行器的重量。但是在理想情况下，这些推进剂可以更高密度的液体形式存储，从而可以使用较小的容器来存储它们，但是许多常见的推进剂必须冷却至超冷温度，通常指温度低于-150°C时会以液体形式存在。

用于低温燃料如液氮、液氧储存的全复合材料设计往往会引起层压板中微裂纹等难题。当复合材料层压板面临极端温度时，每层之间的热膨胀系数差异会导致破裂和泄漏。许多树脂系统在低温下也会变脆，从而加剧了这一问题。ICT公司于2018年向美国国家航空航天局（NASA）推出了低温冷冻箱的概念，后来开始了一项快速开发项目——复合式低温冷冻箱，用于月球着陆器演示飞行器。ICT公司将V型高压冷冻储罐研制的核心技术归结为材料，ICT公司的CryoSphere储罐采用了日本东丽公司T800碳纤维和环氧树脂制成，并通过缠绕丝线制成，在室温下固化，然后在ICT塔尔萨工厂的工业烘箱中进行后固化。

为了解决微裂纹难题，ICT开始对经过化学增韧的专有环氧树脂基体中不同浓度的几种类型添加剂进行迭代测试。在此过程中，研究小组发现了两种添加剂的组合，当再次对储罐进行测试时，它们可以使设计满足热要求，其中之一添加剂是石墨烯。

在低温下，树脂会变脆并开始断裂，随着向纤维施加压力，它们开始彼此滑动并破坏它们之间的化学键。石墨烯薄片充当纤维层之间的机械增强物，减少了移动和断裂的可能性。此外，基体还掺入了其他专有添加剂，使层压板在低温下更具延展性，并在层压板中产生了更多的绝缘性能。ICT公司于2020年2月将其中5个CryoSphere储罐交付给了NASA，最初计划于2020年8月向ISS发射，但推迟到11月，预计在CryoSpheres运送到ISS后，将其放置在气象站的外部，并对其进行了大约六个月的研究，并安装了辐射传感器，在绕地球旋转并直接暴露于太阳的情况下，测试材料在暴露于热和辐射时的耐久性。

3、三大公司合力开发可回收碳纤维复材料压力容器

2020年，美国SteelheadComposites公司联合Vartega公司和Michelman公司合作开发出了全球首个采用回收的连续碳纤维束缠绕成型的复合材料压力容器(COPV)。

SteelheadComposites公司仅采用Vartega公司提供的回收连续碳纤维丝束制作了一款III型压力气瓶。所涉及的回收碳纤维采用Vartega公司的专有回收技术回收，并由Michelman公司进行上浆处理。此次合作是全球首次采用常规复合材料成型工艺对废弃的连续碳纤维预浸丝束进行回收、再利用。与目前通常作为短切碳纤维、填料等次级产品使用的普通回收碳纤维相比，该技术为未来连续碳纤维束技术的开发树立了榜样，具有里程碑意义。

Vartega公司工程技术副总裁SeanKline称：“该项目既是回收碳纤维在终端产品应用中的典型示范，又是对企业联合技术攻关合作模式的最佳诠释。Michelman公司和Steelhead公司的技术实力不可估量，我公司对未来合作的进一步深入和优化激动不已。”Vartega公司总裁AndrewMaxey表示：“该项目在短短几个月的时间内将压力容器从概念变为实体产品。我为团队中每一位辛勤工作的技术人员感到骄傲。我们将借此东风，做强做大，并在不远的将来将该回收技术进一步放大，来生产大型缠绕气瓶产品。”

SteelheadComposites公司产品开发部专家JakeSchrader表示：“Vartega提供的回收碳纤维与Michelman的上浆剂匹配，工艺性能良好，如同预浸前的碳纤维用于传统湿法缠绕工艺一样，完全没有磨损或开裂问题。简直跟刚从制造商手中获得的崭新碳纤维丝束一样。”

来源：复合材料体验馆