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圖片來源：TUD-ILK、BRYSON項(xiàng)目、APUS Zero Emission
利用氫氣（H2）實(shí)現(xiàn)航空脫碳的想法正在不斷向前推進(jìn)。根據(jù)《復(fù)合材料世界》的報(bào)道，憑借領(lǐng)先優(yōu)勢，ZeroAvia公司（英國肯布爾和美國加利福尼亞州霍利斯特）獲得了空客的投資與認(rèn)證合作，額外的訂單使其訂單總量超過2000，并獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）420萬美元的資助，用以進(jìn)一步開發(fā)并驗(yàn)證其2-5兆瓦的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)將于2025年用于10-20座的飛機(jī)，到2027年將用于40-80座的飛機(jī)。同時(shí)，該公司還將繼續(xù)開發(fā)用于壓縮氣體（CGH2）的復(fù)合材料儲(chǔ)罐和液態(tài)H2（LH2）儲(chǔ)罐。
具體項(xiàng)目包括：
1.COCOLIH2T，目標(biāo)是到2025年推出兩個(gè)熱塑性復(fù)合材料（TPC）的示范件和達(dá)到TRL 4;
2. Lockheed Martin 和 Omni-Tanker在4型和5型儲(chǔ)罐上的合作;
3. OVERLEAF，目標(biāo)是將熱塑性復(fù)合材料液態(tài)氫儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存效率提升40%、重量減輕60%、儲(chǔ)存容量增加25%;
4. 空中客車公司位于德國施塔德的新ZEROe開發(fā)中心（ZEDC）將開發(fā)CFRP的低溫液態(tài)氫儲(chǔ)罐;
5. LeiWaCo（2022-2025），目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料液態(tài)氫儲(chǔ)罐的低成本大批量生產(chǎn);
6. THOR，已于2022年完成，實(shí)現(xiàn)了4.5型熱塑性復(fù)合材料儲(chǔ)罐的工業(yè)化生產(chǎn);
7. 英國國家復(fù)合材料中心和荷蘭液態(tài)氫復(fù)合材料儲(chǔ)罐聯(lián)盟合作努力。
為更好地適應(yīng)電動(dòng)汽車的電池空間，BRYSON項(xiàng)目展示了熱塑性復(fù)合材料壓力容器的制造方法（圖片來源：BRYSON 項(xiàng)目, TUD-ILK）
另一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目是由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部資助的BRYSON（具有最佳使用性能的節(jié)省空間的儲(chǔ)氫）（03ETB019D）。該項(xiàng)目執(zhí)行期為2020年至2023年，由一個(gè)德國聯(lián)盟完成，成員包括:BMW AG、德累斯頓工業(yè)大學(xué)（TUD）輕量化工程與聚合物技術(shù)研究所（TUD-ILK）、由ILK分拆出來的工程和開發(fā)公司 Leichtbau-Zentrum Sachsen （LZS） GmbH（德累斯頓）、由ILK 衍生的熱塑性復(fù)合材料制造商 herone GmbH（德累斯頓）、復(fù)合材料經(jīng)銷商WELA Handelsgesellschaft mbH（Geesthacht）、慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)機(jī)械、汽車和航空工程系。
該項(xiàng)目的研究工作已在多篇論文中得到了描述，包括：用于未來移動(dòng)應(yīng)用的熱塑性復(fù)合材料和內(nèi)襯系統(tǒng)的氫滲透性（2023年4月）、用于儲(chǔ)氫的熱塑性塑料多腔壓力容器-設(shè)計(jì)、制造和測試（2022年6月），在2023年SAMPE 歐洲會(huì)議上推出的“多腔壓力容器的新型設(shè)計(jì)方法…”。
該項(xiàng)目的目標(biāo)是，開發(fā)新的4型儲(chǔ)氫罐，該儲(chǔ)氫罐可以放入與電動(dòng)汽車（EV）電池大小相同的空間內(nèi)。該項(xiàng)目采用了兩個(gè)概念——慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)開發(fā)的一種由拉伸支柱加固的適形儲(chǔ)罐，來自德累斯頓的合作伙伴公司（LZS、herone 和 ILK）開發(fā)的一種多單元存儲(chǔ)方法。“我們的想法是使用多個(gè)小型壓力容器。”ILK 的研究員兼項(xiàng)目經(jīng)理 Jan Condé-Wolter 解釋道，“根據(jù)巴洛公式，壓力容器的壁厚與直徑呈線性關(guān)系。因此，如果我們只看管子部分而忽略凸臺(tái)的區(qū)域效應(yīng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果我們在許多較薄的小管中存儲(chǔ)相同數(shù)量的氫氣，理論上它們的重量與可以存儲(chǔ)相同體積的更大、更厚的儲(chǔ)罐相同，但較小的存儲(chǔ)容器卻可以更有效地利用可用的安裝空間。”
自動(dòng)化地制造熱塑性復(fù)合材料的管子
遺憾的是，雖然這種方法的容積效率較高，但要制造所需的大量單個(gè)壓力容器，制造工作量是非常大的。為最大程度地減少因使用眾多較小存儲(chǔ)容器帶來的重量和成本，BRYSON項(xiàng)目探索了一種設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)可以利用ILK已為管狀熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而開發(fā)并由其衍生公司 herone GmbH 商業(yè)化的一種自動(dòng)化生產(chǎn)工藝。這項(xiàng)技術(shù)包括在編織過程中對(duì)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料帶材進(jìn)行自動(dòng)加工，并在內(nèi)部氣囊輔助成型工藝中進(jìn)行固結(jié)。Herone已經(jīng)展示了飛機(jī)支柱和用于運(yùn)輸氫氣的線段，它們都由100%的熱塑性復(fù)合材料制成。由于可以對(duì)熱塑性復(fù)合材料的管材和型材進(jìn)行注射包覆成型，因此可以集成熱塑性復(fù)合材料的載荷傳遞元件，如外插螺紋凸臺(tái)。
herone的自動(dòng)化熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)工藝被用于制造BRYSON項(xiàng)目的示范容器，該工藝可以包覆成型出用于凸臺(tái)的熱塑性復(fù)合材料螺紋外插入物（圖片來源：BRYSON項(xiàng)目，TU Dresden ILK）
但是，要對(duì)壓力容器使用相同的制造技術(shù)，需要進(jìn)行一些調(diào)整。“即使我們將容器單元的直徑減小到50毫米或100毫米，但對(duì)于700 bar的壓力容器而言，與大多數(shù)的支柱和傳動(dòng)軸相比，我們最終得到的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)厚的。為確保良好的固結(jié)和纖維取向，我們需要在固結(jié)過程中減少纖維的移動(dòng)。”Condé-Wolter 解釋道。
這可以通過采用ILK開發(fā)的預(yù)壓實(shí)（debulking）工藝來實(shí)現(xiàn)。該工藝減小了編織預(yù)制件的厚度，從而有助于限制固結(jié)過程中纖維的移動(dòng)并提高層壓質(zhì)量。“在此之前，我們直徑100毫米的容器示范件，其某些位置的壁厚高達(dá)7毫米，如果沒有預(yù)壓實(shí)工藝，預(yù)制件就會(huì)太厚而無法獲得良好的固結(jié)質(zhì)量。”Condé-Wolter說道。
使用熱塑性復(fù)合材料還可以直接將附加功能或部件集成到結(jié)構(gòu)中。“從本質(zhì)上講，我們的工藝是基于共固結(jié)，我們可以在預(yù)制件中添加嵌件、外插入物甚至內(nèi)襯，它們將通過共固結(jié)被整合到最終結(jié)構(gòu)中。”他解釋道，比如，將擠出的短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管子添加到編織的管狀預(yù)制件的外部，然后將該預(yù)坯組件放入匹配的模具型腔中，并在內(nèi)部安裝氣囊的情況下加熱到熱塑性復(fù)合材料的熔融溫度。
可能的端部配件設(shè)計(jì)和擠出的短纖維增強(qiáng)PA6螺紋外插入物（頂部、中心）以及螺紋插入物（底部）的示例，它們可以共固結(jié)到熱塑性復(fù)合材料的壓力容器管中（圖片來源：BRYSON 項(xiàng)目，Herone）
在隨后的氣囊輔助成型工藝中，嵌件或外插入物與編織的連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相融合，從而在部件之間實(shí)現(xiàn)了材料的互擴(kuò)散，創(chuàng)建出一個(gè)一體化的結(jié)構(gòu)。雖然這并不要求各部件擁有相同的基體，但的確要求具有基體兼容性。然后，可以對(duì)短纖維增強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行螺紋連接，以利用可擰緊的凸臺(tái)概念來關(guān)閉單個(gè)的存儲(chǔ)單元。
兩個(gè)示范概念
為了對(duì)生產(chǎn)成本的增加進(jìn)行補(bǔ)償，BRYSON項(xiàng)目必須采用連續(xù)的生產(chǎn)工藝，意味著大多數(shù)纖維纏繞容器傳統(tǒng)的強(qiáng)頸設(shè)計(jì)將難以制造。“我們必須在有頸的心軸上進(jìn)行編織，然后想辦法從有頸的預(yù)制件上取出這個(gè)心軸。讓所有這些都盡可能得筆直，就會(huì)容易得多。”Condé-Wolter 解釋道。最終的兩個(gè)示范概念是直徑50毫米的直管和螺紋嵌件，以及直徑100毫米且?guī)в新菁y外插入物的略帶頸的管子。
直管的制造非常簡單，而略帶頸的管子需要一些開發(fā)，它采用具有恒定直徑尺寸的多層預(yù)制件來實(shí)現(xiàn)最終的縮頸直徑。這種預(yù)制件還擁有專門設(shè)計(jì)的纖維角度，比54.7°的目標(biāo)纖維角度更小。“在固結(jié)過程中，氣囊使管段中的容器膨脹，達(dá)到所需的100毫米外徑，編織角度達(dá)到所需的54.7°，以承受內(nèi)部壓力。”Condé-Wolter 解釋道，“這種設(shè)計(jì)和工藝使我們能夠使用連續(xù)編織，而且仍能通過氣囊輔助成型工藝獲得所需的復(fù)雜形狀、壁厚和纖維角度。”
他表示，這很復(fù)雜，因?yàn)橐磺卸荚谕瑫r(shí)發(fā)生變化。“我們的預(yù)制件越來越短、越來越寬，編織角度也發(fā)生了變化——但對(duì)于某些直徑，它非常適合我們的機(jī)器和工藝。我們甚至可以在外部添加短纖維增強(qiáng)的螺紋，從而為我們的壓力容器使用簡單的螺紋端蓋。”
材料和示范件
由于成本高，BRYSON項(xiàng)目沒有考慮將PAEK和類似的聚合物用作熱塑性復(fù)合材料帶材的基體，而是將眼光投向了聚酰胺（PA）和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）。這兩者都擁有良好的力學(xué)性能，熔化溫度為200-300℃，并且具有良好的抗?jié)B透性，這對(duì)于儲(chǔ)氫極為重要。
“我們做了大量的材料測試，確定了一種玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）約為130℃的PPA，該材料在成本和性能方面達(dá)到了很好的平衡。但在項(xiàng)目期間，該材料仍處于原型階段。”Condé-Wolter表示，他們正在針對(duì)各種應(yīng)用對(duì)PPA材料進(jìn)行深入研究，因?yàn)樵摬牧系膬r(jià)格與PA的相似，但玻璃化轉(zhuǎn)變溫度更高，從而可以消除蠕變問題，擴(kuò)展使用溫度范圍。而對(duì)生產(chǎn)工藝的開發(fā)主要是采用TUD-ILK完全表征的 PA6帶材來進(jìn)行的。
“我們用我們的PA6材料完成了對(duì)這兩個(gè)概念的制造，而且由于直管不那么復(fù)雜，我們還用所需的PPA材料制造了它。”Condé-Wolter表示，未來，他們將對(duì)這種PPA直管進(jìn)行爆破測試，但直徑100毫米的概念更適合未來的應(yīng)用需求，這是因?yàn)?0毫米直徑的直管存儲(chǔ)單元的數(shù)量對(duì)于每輛汽車來說太大了。
“目前，我們證明了該生產(chǎn)工藝的有效性。”他補(bǔ)充道，herone 的工藝路線能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)時(shí)間較短的大批量生產(chǎn)。“在BRYSON項(xiàng)目中，大多數(shù)的初步測試都是在ILK 的實(shí)驗(yàn)室中完成的。之后，我們切換到herone 的工藝生產(chǎn)線上，并表明這種方法在實(shí)驗(yàn)室之外也是有效的。”除了為熱塑性復(fù)合材料壓力容器開發(fā)新的設(shè)計(jì)和制造工藝外，該團(tuán)隊(duì)還研究了復(fù)合材料和內(nèi)襯材料的滲透性，并建立了一個(gè)測試臺(tái)，用于對(duì)小型 PA 管示范件進(jìn)行爆破測試。
滲透性研究
所有的氫壓力容器都面臨著滲透性問題，但該問題對(duì)于較長、直徑較小的儲(chǔ)存容器而言會(huì)更加嚴(yán)峻，因?yàn)闅怏w可滲透的表面積更大。“表面積/體積比較大的存儲(chǔ)概念需要更厚的內(nèi)襯或阻隔性能更好的材料。”Condé-Wolter說道，一般來說，儲(chǔ)氫罐的氫損失應(yīng)低于46毫升/小時(shí)。滿足這一要求所需的內(nèi)襯厚度可能會(huì)占據(jù)大量的容器存儲(chǔ)直徑，尤其是對(duì)于多單元存儲(chǔ)系統(tǒng)中的較薄容器。
因此，BRYSON聯(lián)盟決定，采用標(biāo)準(zhǔn)的PA6內(nèi)襯是不可行的。“對(duì)于我們的50毫米直徑概念，PA6 內(nèi)襯需要幾毫米的厚度，我們的編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的壁厚可達(dá)3毫米。如果內(nèi)襯厚度與這種復(fù)合材料的壁厚具有相同的數(shù)量級(jí)，就會(huì)損失太多的存儲(chǔ)容量，我們的概念也會(huì)效率太低。”Condé-Wolter說道，“因此，我們對(duì)多種不同的聚合物進(jìn)行了高壓滲透性測試，以確定更適合的材料。我們用氫并在我們內(nèi)部開發(fā)的氦氣滲透性測試臺(tái)上對(duì)它們進(jìn)行了外部測試。”
在BRYSON項(xiàng)目期間開發(fā)的滲透性測試數(shù)據(jù)（圖片來源：BRYSON 項(xiàng)目，TUD-ILK）
作為聚乙烯（PE）和聚乙烯醇（PVA）的共聚物，EVOH實(shí)現(xiàn)了最佳性能。Condé-Wolter解釋說，EVOH具有極性分子結(jié)構(gòu)，意味著它對(duì)氫的溶解率非常低。“你可能會(huì)遇到受濕問題，但對(duì)于所有極性氣體來說，EVOH都是一種非常好的阻隔材料。我認(rèn)為開發(fā)多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是可能的，其中EVOH層可以提供滲透屏障，而PPA或其他材料可以保護(hù)它免受外部濕氣的影響。由于EVOH的阻隔性能是 PA6的25倍，因此所需的內(nèi)襯厚度將顯著減小—從毫米級(jí)下降到微米級(jí)。所以，由內(nèi)襯引起的容積損失和重量增加等問題會(huì)顯著降低，幾乎可以忽略不計(jì)。在我們進(jìn)行的粘接測試中，EVOH與我們的 PA6 材料粘接良好。”
Condé-Wolter還表示，在對(duì)含有和不含有碳纖維增強(qiáng)材料的PPA進(jìn)行的比較中發(fā)現(xiàn)，后者的阻隔性能提高了2.5-3倍。“通過添加幾乎不透水的碳纖維，可以為氫氣創(chuàng)造一條曲折的擴(kuò)散路徑，這會(huì)降低滲透性。”
爆破測試和其他開發(fā)
當(dāng)BRYSON項(xiàng)目內(nèi)部的其他合作伙伴在開發(fā)阻燃涂層和燃燒測試時(shí)，ILK、LZS 和 herone 的團(tuán)隊(duì)則在開發(fā)一種測試夾具和方法，以對(duì)管狀試樣進(jìn)行1700bar的爆破測試。采用最大1200 bar的壓力對(duì)4個(gè)試樣進(jìn)行了測試，而設(shè)計(jì)壓力為1400 bar。雖然沒有達(dá)到預(yù)期的爆破效果，但該團(tuán)隊(duì)卻確定了存在的主要問題，即在測試夾緊過程中對(duì)內(nèi)襯帶來的損壞，因此他們計(jì)劃進(jìn)行后續(xù)的改進(jìn)和進(jìn)一步的測試。
其他應(yīng)用
BRYSON項(xiàng)目展示的新型4型壓力容器概念不僅限于汽車應(yīng)用。ILK研究所的所長 Gude 教授說：“我們已經(jīng)朝著未來的可持續(xù)移動(dòng)概念邁出了重要的一步，比如，在Saxonhy和SWAT項(xiàng)目中，我們已與我們的合作伙伴APUS（德國Strausberg）一起，為航空應(yīng)用開發(fā)了類似的概念。”
細(xì)長的壓縮氣體容器將被用于APUS i-2飛機(jī)的翅膀上（圖片來源：APUS i-2手冊）
APUS正在開發(fā)零排放的氫動(dòng)力飛機(jī)，目前該飛機(jī)系列包括i-2和i-5，它們的使用場景是，不需要液態(tài)氫，而是在這些飛機(jī)的機(jī)翼中安裝壓縮氣體容器。據(jù)該公司介紹，這種獲得專利的結(jié)構(gòu)集成式儲(chǔ)氫系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)氫罐相比，比能量密度提高了25%，能量密度是電池電動(dòng)飛機(jī)的10倍。APUS還參與了2022年7月宣布的SaxonHY項(xiàng)目，TUD-ILK也參與了該項(xiàng)目聯(lián)盟。該項(xiàng)目的目標(biāo)是，研究無內(nèi)襯的5型儲(chǔ)罐，以提高重量儲(chǔ)存密度。