東麗高級復合材料Cetex薄型熱塑性UD膠帶是其 LH2 儲罐研究的重點之一，為半結晶聚合物提供了有趣的低溫特性。

2021年12月，東麗先進復合材料公司（荷蘭 Nijverdal TAC）宣布成立荷蘭（NL）LH2復合材料儲罐聯盟。這項為期45個月的項目由荷蘭RDM（研究與開發機動）基金資助，旨在為民用航空開 發一種長壽命、全復合材料的LH2儲罐。TAC商業航空項目主管Marlie Koekenberg解釋道：“目標是實現零排放飛機。”“我們相信，復合材料實現的輕重量將為氣態和液態氫提供更好的儲存選擇，并節省成本，但飛機應用的概念需要發展。對于單通道商用飛機，壓縮氫氣的能量密度不足以提供所需的范圍；這只能通過液態 氫實現在20開爾文/-253°C 條件下測量。”

Koekenberg指出，TAC和荷蘭航空航天中心（NLR， Marknesse）已經開始了復合材料LH2儲罐的初步工作，并與空客 （荷蘭萊頓）進行了討論。她解釋道：“我們決定組建團隊并編寫投標書，并于2021年10月獲得項目融資。2022年1月，我們作為一個團隊開始了各種工作包。”

 

該團隊包括14個合作伙伴，均位于荷蘭，遍布供應鏈。TAC是項目負責人，在熱固性和熱塑性復合材料方面具有專業知識，是材料供應商。代爾夫特技術大學（TU Delft）已經與NLR合作， 測試合作伙伴Cryoworld的金屬 LH2儲罐。其他合作伙伴和專業知識包括：

• GKN ?？? 儲罐制造和測試。
• Bold Findings - 塑料加工專業知識。
• IT’S Engineering- CAD 結構工程和分析。
• KVE 復合材料- 熱塑性復合材料焊接。
• Airborne- 機器人復合材料生產和自動化。
• PhotonFirst- 于結構健康監測（SHM）的光纖。
• Somni- 用于 H2 容量和 SHM 的光纖傳感器。
• 飛機開發和系統工程（ADSE）- 運輸系統的工程、認證 和咨 詢經驗。
• TANIQ-用于復合材料儲罐優化設計和機器人纏繞的軟件。
• SAM | XL- TU Delft工廠未來的可持續自主制造。

Koekenberg指出，該項目還與主要的行業原始設備制造商保持一致，包括空中客車公司、巴西航空工業公司（巴西圣何塞多斯坎波斯）和 ZeroAvia 公司（美國加利福尼亞州霍利斯特和英國肯布爾）。“我們希望確保我們了解他們的操作條件和需求，以便我們 開發的演示儲罐滿足飛機要求，”她補充道。“事實上，這是我們正在進行的開發工作的一個關鍵部分——充分理解和定義這些復合材料LH2儲罐的要求。”大約20個工作包中的其他關鍵可交付成果包括：

• 室溫和-253°C 下（薄型）熱固性塑料和熱塑性塑料的材料特性。
• 真空隔離LH2儲罐的制造技術，包括連接器的絕緣、 先進工具和焊接/粘接技術。
• 一個復合材料LH2存儲罐演示器，帶有傳感器和SHM 系統
• 在靜態和疲勞測試中進行了演示。
• 航空應用所需輔助系統和系統集成清單。
• 用于在極冷條件下測試材料和結構的測試設備。
• 制定飛機應用的資格、認證和安全程序。

材料和測試

NLR高級復合材料科學家亨利·德·弗里斯表示：“我們已經建立了額外的設施，用于在20開爾文（-253.15℃） 溫度下測試復合材料。”“我們已經在忙于測試材料，以測量它們是否能夠抵抗微裂紋和H2通過層壓板的滲透。我們在阿麗亞娜6運載火箭發動機推力框架的工作中有經驗，但當時的溫度更高，接近80開爾文（-207℃）。盡管我們在測試熱固性材料，但這主要是為了建立一個基準塑料，這也是TAC的專長，因 為我們已經看到了聚芳醚酮等半結晶聚合物在極低溫度下的有趣特性（例如，PAEK、PEEK 和 PEKK）。”德弗里斯指出，這些熱塑性塑料還具有焊接的潛力。“與傳統的復合材料儲罐金屬配件密封相比，這可以為管道連接提供更簡單的組裝方法。” 德弗里斯說，這項測試需要18個月。他指出：“第一次測試結果已經很有希望了。”“我們正在進行大量的滲透測試，以選擇最佳材料。”在 IV 型壓縮氣體氫氣儲罐中，碳纖維增強環氧樹脂纏繞在未增強尼龍或高密度聚乙烯襯里上，作為滲透屏障。如何在復合材料LH2存儲罐演示器中實現這一點？“復合材料本身并沒有那么糟糕，”德弗里斯說。“我們已經有一臺在-269°C的液氦中經受住了熱循環。需要進一步的測試，但很難在幾個月內完成20年壽命的測試。”

“問題之一是，”他繼續說道，“一旦表面層出現微裂紋，就會出現氫滲透，因此行為可能來自于此，也可能來自于熱循環或兩者。我們知道的一件事是，通常情況下，層壓材料和材料結構越均勻，熱應力越低，從而實現更好的機械性能。”“這很有趣，因為該項目的一個可交付成果是測試由分散的碳纖維束制成的薄層材料。理論上，由于較薄層的數量增加，這些層提供了均勻性。“然而，有很多因素起作用，”德弗里斯說，“包括纖維和樹脂的類型。 所以，這是我們正在調查的一部分。”

演示儲氫罐、內外罐挑戰

該項目將最終生產一種全復合材料的演示儲氫罐，配備傳感器和輔助系統，將在熱循環和負載循環中進行測試，以評估性能和耐久性。Koekenberg說：“我們將制造一個小規模的儲罐，可能是80升，這對于重復加注LH2來說更為實惠。”NLR將設計和建造內外罐。

NL LH2 復合材料液氫存儲罐

“外罐更像是一個保護殼，”德弗里斯解釋道。“它必須能夠承受飛機著陸載荷和FAA要求的典型碰撞載荷，但也必須通過飛機儲罐和設備的火災和煙霧毒性要求。然而，它不必像內罐那樣應對非常低的溫度和氫小原子的滲透。內罐的另一個問題是需要擋板來防止液體燃料晃動，這些擋板必須連接到罐壁和端蓋上。這導致浸沒在低溫燃料中的部分和與環境溫度接觸的內罐壁中的部分之間的溫度差較大。接觸內罐和外罐的氫氣提取和蒸 發設備也存在問題。德弗里斯說：“因此，我們面臨各種熱膨脹問題，以及如何將內外罐連接成一個單元。“多層絕熱也具有防火性能”。“對于大多數冷凍罐來說，情況并非如此。因此，我們可能需要使用不同的材料，這要復雜得多。我們還需要至少10年的使用壽命，然后我們必須了解如何保持罐之間的真空和保溫性能。”

制造方法

Cetex UD 熱塑性膠帶生產線

De Vries表示，GKN Fokker將專注于LH2儲罐的預浸料帶纏繞，研究工業化和成本，而 NLR 正在考慮自動化纖維鋪設（AFP）。“我們已經討論了NLR內的纏繞，”他說，“但我們認為，使用AFP生產更均勻的材料結構會更容易。如果你有一個非常好的纏繞設備，那么你可以想出比纖維鋪設更簡單的方法，但過程控制是關鍵。”儲罐是在現場固結還是在二次熱壓罐循環中固結？德弗里斯說：“對于這種LH2儲罐來說，現場固結太復雜了”。

與金屬罐的比較

該項目能否提供復合LH2儲罐和金屬儲罐之間的比較？“我們希望，當我們完成時，我們確實可以將我們的演示罐與類似的金屬罐進行比較，”Koekenberg 說，“空客正在開發這種金屬罐。” 這項工作正在空客零排放開發中心進行，以支持其在2035年前擁有一架零排放商用飛機的目 標，目前，該公司正在與CFM International（美國俄亥俄州辛辛那提）合作，在A380飛行試驗臺上測試氫燃燒發動機。

“這是有道理的，”德弗里斯補充道，“因為他們需要了解更多關于系統布局的信息，并與歐洲航空安全局(EASA)作為監管機構就安全要求建立一個基線。而金屬罐更加成熟，將非常適合這一點。 我們所關注的是更長期的問題。”

Koekenberg表示：“我們的合作有助于加速商業航天領域的氫技術。”“我們的財團代表著供應鏈中的一個關鍵部分，以實現這一目標。我們非常自豪能夠領導這場航空航天革命，與主要飛機和發動機制造商保持一致，并肩作戰。”

補充信息

氫氣代替石化燃料用于商業飛機，目前研發工作主要是針對 90座以下渦輪螺槳飛機和150座級、單通道渦扇飛機。前者使用高壓氫氣，后者使用液氫。使用液氫的存儲罐，要采用杜瓦瓶原理的雙罐結構。另外，要存儲數噸液氫，才能滿足航程的需求。因此， 液氫存儲罐的體積，一直困擾著科研人員。液氫存儲罐一般都布置在后機身。有資料披露用后機身蒙皮做外罐。充分利用飛機結構的特點，解決存儲罐的一部分體積問題。