摘要

IV型復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPVs）作為新一代高壓氣體存儲解決方案，其創(chuàng)新設(shè)計如圖1所示，展現(xiàn)了與傳統(tǒng)金屬容器的顯著差異。本文系統(tǒng)梳理了IV型COPVs在材料體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、性能測試等方面的最新研究進(jìn)展，重點分析了碳纖維增強(qiáng)熱塑性內(nèi)膽容器的技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。研究表明，采用PA6內(nèi)膽與T700級碳纖維纏繞的組合設(shè)計可實現(xiàn)70MPa級高壓氫氣安全存儲，其重量較傳統(tǒng)金屬容器減輕40%以上，但長期循環(huán)耐久性和極端環(huán)境下的可靠性仍需深入研究。本文還探討了智能監(jiān)測、回收利用等未來發(fā)展方向，為IV型COPVs的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：IV型COPVs、纖維纏繞、制造工藝、氫氣儲罐

1. 引言

復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展歷程可追溯至20世紀(jì)70年代NASA的航天應(yīng)用。如圖1所示（Barthelemy等提出的分類），IV型COPVs因其獨(dú)特的熱塑性內(nèi)膽設(shè)計脫穎而出。圖2展示了這類容器的典型結(jié)構(gòu)組成，包括內(nèi)膽、纏繞層等關(guān)鍵部件。隨著全球氫能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，IV型COPVs因其出色的重量儲氫密度，正成為車載儲氫系統(tǒng)的首選方案。國際能源署(IEA)預(yù)測顯示，到2030年全球氫燃料電池汽車對高壓儲氫容器的需求將突破百萬臺規(guī)模，這為IV型COPVs的技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)勁動力。值得注意的是，根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)劃分，壓力容器可分為五種類型，其中IV型以其獨(dú)特的熱塑性內(nèi)膽設(shè)計和全復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)，在安全性、經(jīng)濟(jì)性和可制造性等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的研究熱點。

圖1 壓力容器類型對比圖

圖2 IV型COPV結(jié)構(gòu)組成示意圖

2. 材料體系進(jìn)展

2.1 內(nèi)膽材料的優(yōu)化與選擇
內(nèi)膽作為阻隔氣體的關(guān)鍵部件，其材料選擇直接關(guān)系到容器的安全性能和使用壽命。如圖3所示（Kamenny Vek公司數(shù)據(jù)），玄武巖纖維增強(qiáng)內(nèi)膽展現(xiàn)出良好的性價比。研究表明，PA6材料表現(xiàn)出更出色的綜合性能，實驗數(shù)據(jù)顯示其氫氣滲透系數(shù)可比HDPE降低3-5倍，在70MPa高壓下的循環(huán)壽命提升顯著。法國原子能委員會的研究表明，采用特殊配方的PA6內(nèi)膽可承受超過15,000次充放循環(huán)，完全滿足車載儲氫系統(tǒng)的使用壽命要求。最新研究趨勢是開發(fā)納米復(fù)合材料內(nèi)膽，通過添加層狀無機(jī)填料可將氫氣滲透率進(jìn)一步降低30%以上。

圖3 玄武巖纖維增強(qiáng)內(nèi)膽（Kamenny Vek公司）

2.2 增強(qiáng)纖維的發(fā)展與創(chuàng)新
在增強(qiáng)纖維方面，碳纖維憑借其卓越的比強(qiáng)度和比模量占據(jù)主導(dǎo)地位。Hwang等人的系統(tǒng)研究表明（圖4），從纖維束到實際容器，由于體積效應(yīng)會導(dǎo)致強(qiáng)度損失達(dá)16%-32%，這一發(fā)現(xiàn)對容器安全系數(shù)的確定具有重要指導(dǎo)意義。為優(yōu)化性能，混合纖維設(shè)計成為新趨勢，如碳纖維與玻璃纖維的層間混雜，可在保證強(qiáng)度的同時顯著降低成本。Bouvier的有限元分析顯示，T700S碳纖維與E-玻璃纖維的優(yōu)化組合方案，可使700bar儲氫容器的成本降低25%，而重量僅增加15%。

圖4 環(huán)向纏繞測試裝置

3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

3.1 關(guān)鍵組件與功能集成
如圖2所示，IV型COPVs的典型結(jié)構(gòu)包含四大功能模塊。韓國學(xué)者Cho的對比試驗證實（圖5），標(biāo)準(zhǔn)等張力穹頂設(shè)計的容器爆破壓力達(dá)到1158bar，且破壞發(fā)生在筒體而非穹頂區(qū)域，驗證了設(shè)計的合理性。金屬接口(Boss)作為連接樞紐，其材料多選用鋁合金6061-T6或不銹鋼S3163，通過特殊的密封槽設(shè)計與內(nèi)膽形成可靠連接。

圖5 穹頂結(jié)構(gòu)爆破測試

3.2 纏繞工藝的創(chuàng)新發(fā)展
纖維纏繞工藝經(jīng)歷了從傳統(tǒng)濕法纏繞到現(xiàn)代干法纏繞的技術(shù)演進(jìn)。德國Fraunhofer研究所開發(fā)的六軸纏繞機(jī)器人可實現(xiàn)±0.1mm的定位精度，為異形壓力容器的制造開辟了新途徑。工藝參數(shù)的優(yōu)化也取得重要進(jìn)展，如Neunkirchen的研究表明，在干法纏繞中采用環(huán)氧粘結(jié)劑并優(yōu)化固化曲線，可使層間剪切強(qiáng)度提升至73MPa，較傳統(tǒng)工藝提高20%。

4. 制造工藝關(guān)鍵技術(shù)

4.1 內(nèi)膽成型工藝的創(chuàng)新突破
ó Brádaigh等開發(fā)的改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)成型系統(tǒng)（圖6）通過電加熱分區(qū)控制，顯著提升了PA6內(nèi)膽的尺寸精度。德國Kautex公司開發(fā)的超大容積旋轉(zhuǎn)成型技術(shù)，已成功制造出直徑500mm、長度超過2米的PA6內(nèi)膽，突破了傳統(tǒng)工藝的尺寸限制。

圖6 改進(jìn)型旋轉(zhuǎn)成型系統(tǒng)

4.2 纖維纏繞技術(shù)的智能化發(fā)展
AFPT公司開發(fā)的激光輔助纏繞(LATW)系統(tǒng)實現(xiàn)了±0.5°的纏繞角度精度，配合實時紅外熱成像監(jiān)控，可精確控制樹脂的熔融和固化過程。Cetim開發(fā)的Optitank軟件通過深度學(xué)習(xí)歷史工藝數(shù)據(jù)，可預(yù)測最優(yōu)的纏繞參數(shù)組合，使爆破壓力波動范圍從傳統(tǒng)的±15%縮小到±5%。

5. 性能測試與評估體系

5.1 爆破壓力測試方法與標(biāo)準(zhǔn)
如圖6所示，液壓爆破試驗是評價性能的關(guān)鍵方法。法國OSIRHYS項目的研究表明，考慮損傷累積的漸進(jìn)失效模型可將爆破壓力預(yù)測誤差控制在7%以內(nèi)。最新發(fā)展是結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)的全場應(yīng)變測量方法，可精確捕捉容器失效前的應(yīng)變集中區(qū)域。

5.2 滲透特性與耐久性評估
日本學(xué)者Fujiwara開發(fā)的耦合模型，成功預(yù)測了10年使用周期后內(nèi)膽材料的滲透率變化，誤差小于15%。CEA通過15,000次壓力循環(huán)試驗驗證了PA6內(nèi)膽的耐久性，其滲透率增長控制在初始值的20%以內(nèi)。

6. 應(yīng)用現(xiàn)狀與典型案例

6.1 航空航天領(lǐng)域的成熟應(yīng)用
SpaceX的獵鷹9號火箭采用全復(fù)合材料氦氣瓶，重量減輕35%的同時容積效率提升20%。NASA最新研發(fā)的月球著陸器儲氣系統(tǒng)采用PEEK內(nèi)膽與T800碳纖維的組合設(shè)計，實現(xiàn)了前所未有的重量效率(0.9kg/L)。

6.2 車載儲氫系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)展
豐田Mirai的第二代儲氫系統(tǒng)采用三層PA6內(nèi)膽設(shè)計，工作壓力提升至87.5MPa。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2023年全球車載儲氫瓶市場規(guī)模已突破15億美元，年增長率保持在25%以上。

7. 未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

7.1 智能化與功能集成
Com&Sens公司開發(fā)的嵌入式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)可實時監(jiān)測應(yīng)變、溫度和損傷狀態(tài)。德國Fraunhofer研究所正在研發(fā)的"智能襯里"技術(shù)，通過導(dǎo)電納米材料網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)滲透泄漏的早期預(yù)警。

7.2 可回收與可持續(xù)發(fā)展
THOR項目開發(fā)的熱塑性復(fù)合材料回收工藝，可將廢舊容器轉(zhuǎn)化為高價值的工程塑料顆粒，力學(xué)性能保持率超過90%。

8. 結(jié)論與展望

IV型COPVs經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已形成完整的技術(shù)體系并在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。未來五年，隨著氫能基礎(chǔ)設(shè)施的完善和材料科技的突破，IV型COPVs有望在儲能密度和成本效益方面實現(xiàn)新的飛躍。建議進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，重點突破快速固化樹脂、智能監(jiān)測系統(tǒng)和綠色回收技術(shù)等瓶頸問題。

參考資料

1、Alih John Eko, Jayantha Epaarachchi, Janitha Jewewantha, Xuesen Zeng,A review of type IV composite overwrapped pressure vessels,International Journal of Hydrogen Energy,Volume 109,2025,Pages 551-573,ISSN 0360-3199.