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碳纖維增強復(fù)合材料是制造氫氣儲存罐的理想材料。然而，它們必須滿足高技術(shù)和可回收性的要求。Institut Mines-Télécom聯(lián)盟兩所成員院校的ECOHYDRO項目，旨在改善一種基于可回收熱塑性樹脂Elium®的復(fù)合材料的固有性能。
1嵌入式氫氣儲存的復(fù)雜性
氫氣的特性使其成為一種難以儲存的物質(zhì)，不管是在液態(tài)還是氣態(tài)形式下。在大氣壓下，氫氣沸騰溫度為-253°C，因此將其保持在液態(tài)狀態(tài)需要具有高熱隔絕性能的儲罐。在氣態(tài)形式下，氫氣占據(jù)大量空間，這意味著我們需要通過壓縮技術(shù)來確保足夠的質(zhì)量密度包含在可接受的體積大小中。對于一輛具有400公里續(xù)航里程的5座車輛，至少需要5公斤的氫氣，即在700bars的壓力下壓縮至120升。作為比較，每往下潛水10米，壓力增加1bar。
此外，氫氣是一種非常小的分子，能夠滲透入一些金屬并使其變脆。這就是為什么在工業(yè)中用作高壓儲罐主要材料的鋼也受到影響的原因。這些金屬儲罐，稱為“類型I”和“類型II”，無論如何都太重，無法用于嵌入式氫氣儲存。"這就是為什么Elon Musk曾經(jīng)預(yù)言氫氣車輛沒有未來，"IMT Nord Europe的材料和工藝研究員、ECOHYDRO項目協(xié)調(diào)員Chung-Hae Park指出。
為了滿足這一嚴(yán)格的技術(shù)要求，工業(yè)界轉(zhuǎn)向了第三和第四類型的儲罐。這些儲罐由一個抗壓能力出色的復(fù)合材料骨架和一個稱為“內(nèi)襯”的內(nèi)部涂層組成，該內(nèi)襯用于保留氫氣。在第三類型的儲罐中，內(nèi)襯是金屬的；而在第四類型的儲罐中——這也是目前用于氫氣儲存最為普遍的類型——內(nèi)襯是聚合物的。
而復(fù)合材料通常由玻璃纖維或碳纖維制成，浸漬在聚合物樹脂中。它們有著高機械性能來容納壓力并確保密封性，同時比鋼更輕。目前市場上大多數(shù)復(fù)合材料儲罐都是以碳和被稱為“熱固性”的樹脂為基礎(chǔ)，比如環(huán)氧樹脂，這種樹脂非常耐用但回收非常復(fù)雜。在壽命周期結(jié)束時，環(huán)氧樹脂儲罐通常被埋藏或用作燃料，而不回收昂貴的碳纖維。
2一種可回收樹脂正在試驗中
盡管有可以重新熔化的“熱塑性”樹脂，從而簡化了碳纖維的回收，但它們通常非常黏稠。近年來，IMT Nord Europe和IMT Mines Alès的團隊與化學(xué)公司Arkema合作，推廣一種低粘度的可回收樹脂Elium®。這種產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從風(fēng)能到航海領(lǐng)域都有它們的身影。其在復(fù)合材料儲罐中的應(yīng)用是ECOHYDRO項目的一個重要部分。Chung-Hae Park指出：“必須開發(fā)適用的新制造工藝，并增加新的功能。”
通常，復(fù)合材料儲罐是通過纖維纏繞工藝制造的，該工藝涉及將（玻璃、碳）纖維浸漬樹脂纏繞在旋轉(zhuǎn)的圓柱體上。雖然Elium®承諾更快、更經(jīng)濟、更節(jié)能的生產(chǎn)，但該工藝仍需優(yōu)化以將基于Elium®的復(fù)合材料轉(zhuǎn)化為儲罐。研究人員解釋：“我們正在研究整個過程，既致力于調(diào)整工藝以適應(yīng)材料，又致力于調(diào)整材料，以使其更符合工藝。”
其他計劃中的研究項目包括：增加功能以提高材料在最終用途中的安全性，特別是抗火性。IMT Mines Alès的研究員Laurent Ferry解釋說：“樹脂是可燃的，但可以通過在其中加入具有火災(zāi)活性抵抗力的單體進(jìn)行化學(xué)層面的調(diào)整。”他繼續(xù)表示：“我們考慮使用含磷或氮元素。當(dāng)材料受到火焰作用時，這些化合物可以形成一個碳層，從而保護(hù)材料并延緩產(chǎn)品的升溫。”
3可持續(xù)材料
Institut Mines-Télécom聯(lián)盟的其他研究團隊將致力于研究該材料的自修復(fù)性能，使其在出現(xiàn)裂縫或破裂時能夠“自我修復(fù)”。Laurent Ferry解釋說：“這個過程已經(jīng)存在，但必須適應(yīng)我們的產(chǎn)品。這類似于材料的流動，可以松弛并封閉裂縫。”
基于Elium®的復(fù)合材料及其新功能的性能將首先進(jìn)行數(shù)值模擬，然后進(jìn)行實驗驗證。一旦所有性能都得到驗證，復(fù)合材料將在更大尺度的裝置中進(jìn)行實驗。該項目計劃通過在儲罐中插入傳感器來跟蹤材料的性能和使用壽命。
通過使用數(shù)據(jù)科學(xué)和人工智能，通過傳感器傳輸?shù)男畔⒌姆治觯绕涫钱惓Ｇ闆r（裂縫、氫氣泄漏等），我們能夠預(yù)測殘余使用壽命，甚至延長儲罐的使用壽命。這個項目貫穿整個產(chǎn)品生命周期，最終目標(biāo)是：“我們將確保一旦達(dá)到壽命周期末期，聚合物部分能夠被有效去除，碳纖維能夠被回收，從而保證材料的可回收性”，Chung-Hae Park表示。