【技术干货】简析国外全碳纤维复合材料V型压力容器的关键技术
摘 要
2020年以来，美国两家公司CTD、ICT公司相继成功研发出V型高压储气瓶和高压低温储罐，两家公司将其成功关键和核心技术均归结为材料，其中CTD公司高压储气瓶主要用于卫星推进系统的气体储存，采用了日本东丽T700级碳纤维和专有环氧树脂为原料。
而ICT公司研发的高压低温储罐主要用于火箭推进剂用低温燃料如液氮、液氧等储存，储罐采用了日本东丽T800级碳纤维和环氧树脂，为了解决低温环境下由于树脂发脆等造成复合材料微裂纹，ICT使用石墨烯对基体进行了改性。
1、何谓V型压力溶剂
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。
2、CTD公司研发出V型高压储气瓶
今年年初，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）。
CTD公司研发的高压储气瓶
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。
当对储罐加压时，压力会在所有方向施加到容器壁上，因此树脂必须拉伸以吸收应变，并且还必须通过与纤维粘合来提供结构支撑。该公司测试结果显示，与常规工业材料相比，KIBOKO树脂在室温和低温环境中较高的应变水平下会形成微裂纹。尽管用于FASTRAC卫星和无人机的储罐都是湿式缠绕的，但是相同的树脂也可以与真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺兼容。在某些应用中，只要可以确保获得合理的纤维体积分数，VARTM可能更合适的制造低孔隙率层压材料的方法。
通过关键参数设计如纤维角度、纤维体积和层压板厚度等可以创建“渐变复合材料”的材料，来满足结构和阻隔性能要求。尽管层压板在储罐的所有区域中既充当结构，又充当屏障，但工程师可以调整设计功能以改变功能。
此外，没有衬里的容器需要工具衬底，该衬底必须在容器固化之后被移除。CTD已与供应商合作开发了几种新颖的模具技术，用于成型形状受限制的复合材料。比如FASTRAC卫星和无人机所用的V型储罐都是通过将细丝缠绕在非常规芯棒上而制成的，该芯棒在后处理步骤中会化学溶解。
3、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。
无里衬碳纤维/环氧树脂储罐CryoSphere是在俄克拉荷马州ICT工厂通过缠绕和工业烘箱固化而制造的；碳纤维选用了日本东丽T800级碳纤维。
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。
2019年秋天，应用石墨烯材料公司宣布，其石墨烯技术已被整合到两个ICT树脂系统中，用于低温压力容器，这些系统正考虑用于NASA航天飞行任务。
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。