經過十年與美國國家航空航天局和 30 多家航空航天公司合作證明其無襯里、重量輕的復合材料儲罐，這家 CryoSphere 先驅正在擴大其在商業空間和地球上可持續運輸方面的增長。

 

Infinite Composites V 型復合材料壓力容器

Infinite Composites（美國俄克拉荷馬州塔爾薩市）成立于 2010 年，并于 2013 年交付了第一個 V 型復合材料壓力容器。與使用金屬的 I 型、II 型和 III 型儲罐以及使用塑料內襯的 IV 型儲罐相比，V 型壓力容器重量最輕，其特點是采用全復合材料結構，主要由碳纖維加固，但沒有內襯。然而，由于內襯起到了防止氣體和低溫液體在高壓（例如高達 14000 磅/平方英寸/993 巴）下滲透到復合材料層壓板中的屏障的作用，因此建造能夠可靠地進行數千次加壓循環的無內襯儲罐絕非易事。

Infinite Composites 公司取得了成功，為航天器、航空、地面運輸和工業氣體應用提供了尺寸為 5 至 325 升的 V 型儲罐。該公司擁有經 AIAA S-081B-2018認證的空間系統儲罐，并正在與多個客戶合作開發用于儲氫的 V 型儲罐，包括用于低溫液氫（LH2）的儲罐。Infinite Composites 首席執行官 Matt Villarreal 表示：“我們已經完成了 18000 次聯邦機動車安全標準（FMVSS）304 測試的壓力循環。”。“我們已經完成了墜機后的生存能力和篝火測試。我們已經在許多不同的應用中證明了我們的技術，現在我們專注于完成資格認證和批量生產的擴展。”

 

 

 

Infinite Composites 的第一個 V 型儲罐是用于天然氣車輛（頂部），但很快就開始開發用于太空的儲罐，如 CryoSphere（底部），用于在低至-290°F 的低溫下儲存液體推進劑

NGV（-natural gas vehicle）到太空

正如 2020 年的文章《開發一種無襯里、全復合材料的球形冷凍箱》中所解釋的那樣，Infinite Composites 的創始人制造了一輛由壓縮天然氣（CNG- compressed natural gas ）驅動的一級方程式賽車，據報道這是世界上第一輛，并親身體驗了全金屬 CNG 儲罐的重量（約占整車重量的 10%）如何降低賽車的效率，在比賽中需要多次加油。維拉里爾解釋說，當他們研究重量更輕的替代品時，“我們確信 V 型儲罐可以徹底改變太空探索和可持續交通。”

Villarreal 說，該公司早期的大多數儲罐都用于 CNG 應用，“但在 2016 年，我們決定太空最適合我們，因為天然氣汽車市場非常商品化，需要規模。大約在同一時間，太空探索技術公司聯系了我們，美國國家航空航天局馬歇爾太空飛行中心（美國阿拉巴馬州亨茨維爾）還想要一些儲罐。因此，我們將公司名稱改為 Infinite Composites，以反映更廣泛的應用范 圍。我們的使命是使 V 型復合材料壓力容器像金屬罐一樣無處不在。我們目前有火箭、低軌衛星、地球同步軌道衛星、月球著陸器、無人機、高超音速飛行器和氫動力飛機的項目，以及專門的商業項目。”

為什么選擇 V 型儲罐？

無襯里復合材料壓力容器消除了金屬或塑料襯里的重量以及物流和制造成本/時間。維拉里爾說：“這也消除了內襯和復合外包裝之間的空氣滯留問題以及其他質量問題，這些問題過去曾導致儲罐故障。”“我們還消除了缸套疲勞失效的問題，因此我們可以延長儲罐的循環壽命。”

Villarreal 聲稱，與用于儲存和運輸工業氣體的典型全金屬罐相比，Infinite Composites V 型罐的質量減少了 90%，與傳統上用于太空飛行器的復合材料外覆金屬壓力容器（COPV-composite overwrapped metal pressure vessels ）相比，質量減少了 40%。他補充道：“與傳統的 COPV 相比，我們通常還可以至少減少 70%的交付周期，最多減少 50%的成本。”。然而，他承認，V 型儲罐的滲透性將高于帶金屬內襯的壓力容器。V 型儲罐的飛行傳統也較少，但這種情況正在開始改變。

Infinite Composites 指出，與太空飛行器中常用的 COPV 相比，V 型儲罐的質量減少了 40%，成本降低了 50%，交付周期縮短了 70-80%。

V 型儲罐的制造和材料

對于大多數復合材料壓力容器來說，Infinite Composites 通常使用細絲纏繞來制造儲罐。比利亞雷亞爾說：“我們有一個自動化的過程，可以在一夜之間進行，而不需要任何人干預或監控。”。“我們使用可拆卸芯軸和各種專有樹脂系統，為碳纖維復合材料層壓板提供滲透屏障和承載結構的組合。我們可以定制這些樹脂，以適應不同的應用，例如不同的高壓和低溫流體，如氦氣、氫氣、甲烷、高測試過氧化物或一氧化二氮。”

該公司還在樹脂中使用來自 Applied graphene Materials（英國克利夫蘭）的石墨烯添加劑。維拉里爾指出：“我們已經看到層間斷裂韌性和抗滲透能力都有所提高。”“我們的滲透速率已經達到了每分鐘 2.5 x 10-6 標準立方厘米（SCCM），因此我們在抗滲透性方面越來越接近于與一些金屬罐的水平。”

碳纖維，包括東麗（日本東京）T800 和 T1100 纖維，是主要的增強材料，但 Infinite Composites 也在不同的儲罐應用中使用玄武巖、玻璃和其他纖維。

 

Infinite Composites 開發了一系列材料、工藝和制造技術，使其儲罐成為可能

這種壓力容器的另一個關鍵部分是金屬凸臺接口，該接口連接到復合材料結構上，用于連接外部閥門和燃料供應系統。凸臺在運輸過程中承受端部載 荷，在加壓循環過程中承受較大的溫度波動，其與復合材料結構的結合至關重要。Infinite Composites 使用專有工藝將金屬凸臺粘合到復合材料層壓板上，以緩解不同材料之間熱膨脹的不匹配。這使得即使在日常使用 20 年后也能保持完整的納米級緊密結合。

這些壓力容器還通過了多項測試，包括高達 993巴的爆裂壓力、816°C 的篝火測試、高達-207°C 的低溫測試、模擬軌道級火箭 200 次發射和著陸的氣動測試，以及模擬 20 年服役的壓力/溫度循環。維拉里爾說：“我們還用液氧和液氦等冷凍劑進行了填充測試。”“我們的儲罐結構已經證明了它的性能。我們為美國國家航空航天局蘭利號制造了直徑一直到 2.5英寸的儲罐，以及直徑約 2 英尺乘 5 英尺長的 325 升儲罐。”

濕纖維纏繞與預浸絲束,3D打印

Infinite Composites 使用最常見的制造壓力容器的工藝——使用液體樹脂纏繞細絲——而不是纏繞絲束或預浸膠帶。Villarreal 解釋道：“我們使用了絲束預浸料，但我們更喜歡能夠使用我們想要的任何定制樹脂的靈活性，而不限于預浸料中的一個基質系統，因為這對于開發新的流體相容性來說不是最佳的。”“我們更喜歡濕繞組材料的靈活性。”

他補充說，鋪設預浸料所需的自動膠帶纏繞或纖維放置（AFP）設備也非常昂貴。Villarreal 說：“這一過程也比使用多軸機器的濕絲纏繞更復雜，也沒有那么可擴展。”。“然而，我們目前正在與俄克拉荷馬州立大學的 Ranji Vaidyanathan 博士合作一個太空制造項目，這種應用可能需要絲束預處理，因為在太空中混合液體樹脂似乎不實用。”

“我認為有很大前景的是連續纖維 3D 打印，”他繼續說道。“我認為這將是未來最有利的制造技術，因為你可以在芯軸作為碳纖維結構的一部分的位置打印芯軸。你可以在太空環境中以完全自動化的方式輕松地做到這一點。你還可以獲得一些非常有趣的結構，這些結構具有任何其他類型的制造都無法真正獲得的內部特征進程。因此，這是我對未來制造包括復合材料壓力容器在內的復合材料的選擇。”

新空間的增長

 

Infinite Composites V 型儲罐在太空飛行器燃料系統的 700 巴氫氣儲存（左）、一氧化二氮（NOX）和氦氣管道（右）中進行了爆裂測試

維拉里爾說，新太空市場正在爆炸式發展，從傳統的火箭和運載火箭的冷凍燃料和氧化劑罐擴展到衛星和月球著陸器的推進劑罐，以及太空燃料庫、空間站和棲息地的加壓罐。“這些應用必須應用于 V 型儲罐，因為它們對質量非常敏感。這是一種直接的權衡——運載火箭中的每一磅都是留在地面上的一磅付費貨物。他們可以通過擁有多個更重的儲罐來放棄數百萬美元。”同樣的計算也適用于衛星和月球著陸器。

Infinite Composites 正在為多顆 LEO 和 GEO 衛星以及一個月球著陸器提供儲罐，所有這些衛星都應該在 2024 年前進入太空。維拉里爾說：“我們的儲罐用于推進系統，通常使用氙或氪等氣體。”

“但我們越來越多的客戶想要越來越大的儲罐，”比利亞雷亞爾說。“我們收到了一些團體的興趣，他們希望所有直徑超過 36 英尺的復合材料儲罐用于運載火箭。我們還不能制造那么大的儲罐，但興趣已經存在。我認為這就是市場的發展方向。太空仍然是我們最大的增長領域，盡管氫的應用也在增長。”

氫，合并解決方案

Infinite Composites 正在與氫動力飛機領域的多個參與者合作，交付 10 個 V 型復合材料罐進行測試。維拉里爾說：“我們還與一個名為“天空居民”（美國俄克拉荷馬州俄克拉荷馬市）的組織合作，該組織正在為超長飛行制造無人機。”。“我們正在用氫罐取代他們的一些電池容量，并與他們一起進行一些偉大的研究，研究 350 巴的壓縮氣罐，以及開發無人機液氫罐的聯合提案。”

 

Infinite Composites 已經測試并正在繼續探索非圓柱形儲罐形狀

這些液氫罐會像已經用于太空運載火箭的液氫罐一樣，還是更像正在為氫動力重型卡車開發的全金屬杜瓦瓶？“我們已經用真空隔熱杜瓦瓶做了一些測 試，”維拉里爾說。“我認為其中一個挑戰是，儲罐中的金屬結構只是在傳遞熱量。在我們對液氫項目的液氦測試中，所有的管線都是不銹鋼的，如果隔熱層出現微小斷裂，或者任何隔熱層較薄弱的地方，液氦就會蒸發掉。我認為所有的復合材料儲罐都將是大贏家，因為你可以避免大部分熱量通過儲罐傳遞，特別是如果我們確實使用真空隔熱儲罐進行此類應用。”

比利亞雷亞爾還指出，目前，用于在地球上運輸的 V 型儲罐經歷的壓力循環（數萬次）比太空車儲罐（數十至數百次）多得多。隨著可重復使用運載火箭的使用增加，以及在太空加油站以延長太空拖船和其他航天器任務持續時間的愿景，這種情況可能會改 變。“但主要的區別在于外部來源造成損害的風險，”他說。航天器的儲罐制造得非常輕，能夠承受發射，但在地面或機載地面運載工具的日常服務中不一定耐沖擊。比利亞雷亞爾補充道：“這推動了更嚴格的測試來緩解。”。如上所述，Infinite Composites 已經完成了這種類型的測試，這要歸功于其在 NGV 中的起源及其最近的氫罐開發。

“我們正處于所有這些市場的交叉點——氫用于更可持續的航空和全球運輸，天然氣儲存和運輸的工業應用以及新太空——我們看到這些應用的技術正在融合。我們甚至向氫飛機項目出售了一些與我們向太空飛行器集團出售的相同的儲罐，因為它們符合所有相同的標準和安全系數，并進行了相同的測試。我認為在五年左右的時間里，這些市場上使用的技術不會有太大的差異。”

Villarreal 說：“我們生產的 V 型儲罐已經超過了美國能源部在車輛儲氫重量效率方面的目標，也超過了之前為太空應用設定的目標。”。“它們比市場上的任何東西都輕。我看到這些結合在一起，為未來的推進能源存儲提供了解決方案。”

注：原文見《Infinite Composites: Type V tanks for space, hydrogen, automotive and more》2023.6.27