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亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所的研究人員正探索借助粘性預(yù)浸絲束制備混雜纏繞層，在無需增設(shè)設(shè)備、更換工裝以及裁切纖維的前提下，實現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器封頭部位的局部補強。
圖左為研究員馬庫斯?韋爾什，圖右為揚內(nèi)斯?杜爾，二人手持研究所管狀復(fù)合材料實驗室試制的工藝試樣。圖片全部來源：德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所
儲氫用復(fù)合材料壓力容器是燃料電池系統(tǒng)中的核心部件，但其生產(chǎn)成本高昂。根據(jù)工作壓力不同，復(fù)合材料纏繞層成本約占容器總成本的57%至67%。通過對封頭區(qū)域進行定向補強來降低材料耗用，已然成為復(fù)合材料壓力容器研發(fā)的核心方向。德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所正在開展相關(guān)研究，探究僅依靠纖維纏繞工藝能否實現(xiàn)封頭局部定向補強，有望省去以往封頭專屬補強方案中繁雜的額外加工工序。
圓筒形壓力容器自身的受力分布特點帶來了設(shè)計難題：其環(huán)向應(yīng)力數(shù)值為軸向應(yīng)力的兩倍，而封頭區(qū)域所需的補強效果，遠超常規(guī)極向纏繞與螺旋纏繞所能提供的補強性能。美國能源部2013年發(fā)布的一份設(shè)計報告曾提出一種補強方案，即在正式纏繞作業(yè)前，于封頭處鋪設(shè)離散碳纖維條帶實現(xiàn)局部補強；但2015年的后續(xù)報告因該工藝流程復(fù)雜、不利于規(guī)?；慨a(chǎn)，將這一技術(shù)剔除出基礎(chǔ)設(shè)計方案。
圖1纖維纏繞式壓力容器常用纏繞成型方式
自此之后，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出兩種主流改進技術(shù)路線。德國塞沃特克公司推出桑巴專業(yè)壓力容器型纖維貼片鋪設(shè)設(shè)備，可在纏繞作業(yè)前，于內(nèi)膽封頭表面鋪設(shè)定向薄纖維貼片；荷蘭塔尼克公司則搭建一體化機器人工作站，集成自動鋪絲、纖維纏繞與橡膠自動纏繞技術(shù)，可在復(fù)合材料鋪層流程的任意階段完成封頭局部補強施工。但這兩種方案均存在弊端，要么需要跨設(shè)備轉(zhuǎn)運工件，要么需頻繁更換工裝，還額外增加了纖維裁切與鋪設(shè)專屬工序。
亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所研發(fā)了全新技術(shù)思路：利用預(yù)浸絲束自帶的粘性特性，在纖維纏繞過程中成型混雜纏繞層。常規(guī)極向?qū)?、螺旋層、環(huán)向?qū)拥膬啥硕它c均統(tǒng)一處于封頭區(qū)或筒體區(qū)，而混雜纏繞層一端設(shè)于封頭區(qū)域，另一端設(shè)于筒體區(qū)域。
預(yù)浸絲束將纖維與半固化樹脂整合為一體半成品，其自帶的粘性樹脂可在纏繞過程中產(chǎn)生摩擦力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)濕法纏繞工藝無法穩(wěn)定成型的非測地線纏繞軌跡。依托該工藝制備的局部補強層，可靈活嵌入復(fù)合材料任意鋪層位置，全程無需更換生產(chǎn)設(shè)備、調(diào)整工裝夾具，也無需裁切與重新送料纖維。
圖2纖維纏繞封頭補強層工藝試制試樣
圖3雙封頭完成局部補強纏繞，兩層補強結(jié)構(gòu)由過渡層相連
目前該技術(shù)已在研究所管狀復(fù)合材料實驗平臺完成實驗室可行性驗證，但仍存在諸多工程難題亟待攻克。最主要的問題是筒體端點處易出現(xiàn)材料堆積：多層混雜纏繞層疊加纏繞時，需錯開端點位置，避免局部壁厚過大，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)安全性隱患。筒體端點與封頭過渡區(qū)的間距也需精準(zhǔn)優(yōu)化，該參數(shù)受纏繞張力、絲束寬度以及容器直徑多重因素影響；縮短間距雖能節(jié)約原材料，卻會大幅提升纖維滑移、排布失穩(wěn)的風(fēng)險。
下一階段研發(fā)工作將依托萊茵金屬英文特公司研發(fā)的RHWind纏繞程序生成鋪層結(jié)構(gòu)模型，開展有限元仿真分析。在與該企業(yè)聯(lián)合開展的政府資助氫能合作項目中，研究所已完成該軟件功能拓展，可實現(xiàn)混雜纏繞層設(shè)計，并將可量產(chǎn)的鋪層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件，開展高精度漸進式損傷仿真模擬。
研究核心目標(biāo)為驗證混雜纏繞層能否達到足夠的局部補強效果，以此判定其能否替代部分傳統(tǒng)螺旋纏繞層；若驗證可行，將依托仿真結(jié)論優(yōu)化筒體端點布設(shè)位置與工藝適用區(qū)間，推進工業(yè)化試制試驗。