圖片來源：TUD-ILK、BRYSON項目、APUS Zero Emission

利用氫氣（H2）實現航空脫碳的想法正在不斷向前推進。根據《復合材料世界》的報道，憑借領先優勢，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證合作，額外的訂單使其訂單總量超過2000，并獲得了美國聯邦航空管理局（FAA）420萬美元的資助，用以進一步開發并驗證其2-5兆瓦的電動動力系統，該系統將于2025年用于10-20座的飛機，到2027年將用于40-80座的飛機。同時，該公司還將繼續開發用于壓縮氣體（CGH2）的復合材料儲罐和液態H2（LH2）儲罐。

具體項目包括：

1.COCOLIH2T，目標是到2025年推出兩個熱塑性復合材料（TPC）的示范件和達到TRL 4;

2. Lockheed Martin 和 Omni-Tanker在4型和5型儲罐上的合作;

3. OVERLEAF，目標是將熱塑性復合材料液態氫儲罐的儲存效率提升40%、重量減輕60%、儲存容量增加25%;

4. 空中客車公司位于德國施塔德的新ZEROe開發中心（ZEDC）將開發CFRP的低溫液態氫儲罐;

5. LeiWaCo（2022-2025），目標是實現熱塑性復合材料液態氫儲罐的低成本大批量生產;

6. THOR，已于2022年完成，實現了4.5型熱塑性復合材料儲罐的工業化生產;

7. 英國國家復合材料中心和荷蘭液態氫復合材料儲罐聯盟合作努力。

為更好地適應電動汽車的電池空間，BRYSON項目展示了熱塑性復合材料壓力容器的制造方法（圖片來源：BRYSON 項目, TUD-ILK）

另一個關鍵項目是由德國聯邦經濟和能源部資助的BRYSON（具有最佳使用性能的節省空間的儲氫）（03ETB019D）。該項目執行期為2020年至2023年，由一個德國聯盟完成，成員包括:BMW AG、德累斯頓工業大學（TUD）輕量化工程與聚合物技術研究所（TUD-ILK）、由ILK分拆出來的工程和開發公司 Leichtbau-Zentrum Sachsen （LZS） GmbH（德累斯頓）、由ILK 衍生的熱塑性復合材料制造商 herone GmbH（德累斯頓）、復合材料經銷商WELA Handelsgesellschaft mbH（Geesthacht）、慕尼黑應用科學大學機械、汽車和航空工程系。

該項目的研究工作已在多篇論文中得到了描述，包括：用于未來移動應用的熱塑性復合材料和內襯系統的氫滲透性（2023年4月）、用于儲氫的熱塑性塑料多腔壓力容器-設計、制造和測試（2022年6月），在2023年SAMPE 歐洲會議上推出的“多腔壓力容器的新型設計方法…”。

該項目的目標是，開發新的4型儲氫罐，該儲氫罐可以放入與電動汽車（EV）電池大小相同的空間內。該項目采用了兩個概念——慕尼黑應用科學大學開發的一種由拉伸支柱加固的適形儲罐，來自德累斯頓的合作伙伴公司（LZS、herone 和 ILK）開發的一種多單元存儲方法。“我們的想法是使用多個小型壓力容器。”ILK 的研究員兼項目經理 Jan Condé-Wolter 解釋道，“根據巴洛公式，壓力容器的壁厚與直徑呈線性關系。因此，如果我們只看管子部分而忽略凸臺的區域效應，就會發現，如果我們在許多較薄的小管中存儲相同數量的氫氣，理論上它們的重量與可以存儲相同體積的更大、更厚的儲罐相同，但較小的存儲容器卻可以更有效地利用可用的安裝空間。”

自動化地制造熱塑性復合材料的管子

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容器帶來的重量和成本，BRYSON項目探索了一種設計方法，該設計可以利用ILK已為管狀熱塑性復合材料結構而開發并由其衍生公司 herone GmbH 商業化的一種自動化生產工藝。這項技術包括在編織過程中對碳纖維增強熱塑性復合材料帶材進行自動加工，并在內部氣囊輔助成型工藝中進行固結。Herone已經展示了飛機支柱和用于運輸氫氣的線段，它們都由100%的熱塑性復合材料制成。由于可以對熱塑性復合材料的管材和型材進行注射包覆成型，因此可以集成熱塑性復合材料的載荷傳遞元件，如外插螺紋凸臺。

herone的自動化熱塑性復合材料生產工藝被用于制造BRYSON項目的示范容器，該工藝可以包覆成型出用于凸臺的熱塑性復合材料螺紋外插入物（圖片來源：BRYSON項目，TU Dresden ILK）

但是，要對壓力容器使用相同的制造技術，需要進行一些調整。“即使我們將容器單元的直徑減小到50毫米或100毫米，但對于700 bar的壓力容器而言，與大多數的支柱和傳動軸相比，我們最終得到的結構是相當厚的。為確保良好的固結和纖維取向，我們需要在固結過程中減少纖維的移動。”Condé-Wolter 解釋道。

這可以通過采用ILK開發的預壓實（debulking）工藝來實現。該工藝減小了編織預制件的厚度，從而有助于限制固結過程中纖維的移動并提高層壓質量。“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7毫米，如果沒有預壓實工藝，預制件就會太厚而無法獲得良好的固結質量。”Condé-Wolter說道。

使用熱塑性復合材料還可以直接將附加功能或部件集成到結構中。“從本質上講，我們的工藝是基于共固結，我們可以在預制件中添加嵌件、外插入物甚至內襯，它們將通過共固結被整合到最終結構中。”他解釋道，比如，將擠出的短纖維增強熱塑性復合材料管子添加到編織的管狀預制件的外部，然后將該預坯組件放入匹配的模具型腔中，并在內部安裝氣囊的情況下加熱到熱塑性復合材料的熔融溫度。

可能的端部配件設計和擠出的短纖維增強PA6螺紋外插入物（頂部、中心）以及螺紋插入物（底部）的示例，它們可以共固結到熱塑性復合材料的壓力容器管中（圖片來源：BRYSON 項目，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纖維增強結構相融合，從而在部件之間實現了材料的互擴散，創建出一個一體化的結構。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，可以對短纖維增強區域進行螺紋連接，以利用可擰緊的凸臺概念來關閉單個的存儲單元。

兩個示范概念

為了對生產成本的增加進行補償，BRYSON項目必須采用連續的生產工藝，意味著大多數纖維纏繞容器傳統的強頸設計將難以制造。“我們必須在有頸的心軸上進行編織，然后想辦法從有頸的預制件上取出這個心軸。讓所有這些都盡可能得筆直，就會容易得多。”Condé-Wolter 解釋道。最終的兩個示范概念是直徑50毫米的直管和螺紋嵌件，以及直徑100毫米且帶有螺紋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，它采用具有恒定直徑尺寸的多層預制件來實現最終的縮頸直徑。這種預制件還擁有專門設計的纖維角度，比54.7°的目標纖維角度更小。“在固結過程中，氣囊使管段中的容器膨脹，達到所需的100毫米外徑，編織角度達到所需的54.7°，以承受內部壓力。”Condé-Wolter 解釋道，“這種設計和工藝使我們能夠使用連續編織，而且仍能通過氣囊輔助成型工藝獲得所需的復雜形狀、壁厚和纖維角度。”

他表示，這很復雜，因為一切都在同時發生變化。“我們的預制件越來越短、越來越寬，編織角度也發生了變化——但對于某些直徑，它非常適合我們的機器和工藝。我們甚至可以在外部添加短纖維增強的螺紋，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項目沒有考慮將PAEK和類似的聚合物用作熱塑性復合材料帶材的基體，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性能，熔化溫度為200-300℃，并且具有良好的抗滲透性，這對于儲氫極為重要。

“我們做了大量的材料測試，確定了一種玻璃化轉變溫度（Tg）約為130℃的PPA，該材料在成本和性能方面達到了很好的平衡。但在項目期間，該材料仍處于原型階段。”Condé-Wolter表示，他們正在針對各種應用對PPA材料進行深入研究，因為該材料的價格與PA的相似，但玻璃化轉變溫度更高，從而可以消除蠕變問題，擴展使用溫度范圍。而對生產工藝的開發主要是采用TUD-ILK完全表征的 PA6帶材來進行的。

“我們用我們的PA6材料完成了對這兩個概念的制造，而且由于直管不那么復雜，我們還用所需的PPA材料制造了它。”Condé-Wolter表示，未來，他們將對這種PPA直管進行爆破測試，但直徑100毫米的概念更適合未來的應用需求，這是因為50毫米直徑的直管存儲單元的數量對于每輛汽車來說太大了。

“目前，我們證明了該生產工藝的有效性。”他補充道，herone 的工藝路線能夠實現循環時間較短的大批量生產。“在BRYSON項目中，大多數的初步測試都是在ILK 的實驗室中完成的。之后，我們切換到herone 的工藝生產線上，并表明這種方法在實驗室之外也是有效的。”除了為熱塑性復合材料壓力容器開發新的設計和制造工藝外，該團隊還研究了復合材料和內襯材料的滲透性，并建立了一個測試臺，用于對小型 PA 管示范件進行爆破測試。

滲透性研究

所有的氫壓力容器都面臨著滲透性問題，但該問題對于較長、直徑較小的儲存容器而言會更加嚴峻，因為氣體可滲透的表面積更大。“表面積/體積比較大的存儲概念需要更厚的內襯或阻隔性能更好的材料。”Condé-Wolter說道，一般來說，儲氫罐的氫損失應低于46毫升/小時。滿足這一要求所需的內襯厚度可能會占據大量的容器存儲直徑，尤其是對于多單元存儲系統中的較薄容器。

因此，BRYSON聯盟決定，采用標準的PA6內襯是不可行的。“對于我們的50毫米直徑概念，PA6 內襯需要幾毫米的厚度，我們的編織復合材料結構的壁厚可達3毫米。如果內襯厚度與這種復合材料的壁厚具有相同的數量級，就會損失太多的存儲容量，我們的概念也會效率太低。”Condé-Wolter說道，“因此，我們對多種不同的聚合物進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部開發的氦氣滲透性測試臺上對它們進行了外部測試。”

在BRYSON項目期間開發的滲透性測試數據（圖片來源：BRYSON 項目，TUD-ILK）

作為聚乙烯（PE）和聚乙烯醇（PVA）的共聚物，EVOH實現了最佳性能。Condé-Wolter解釋說，EVOH具有極性分子結構，意味著它對氫的溶解率非常低。“你可能會遇到受濕問題，但對于所有極性氣體來說，EVOH都是一種非常好的阻隔材料。我認為開發多層復合材料結構是可能的，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，因此所需的內襯厚度將顯著減小—從毫米級下降到微米級。所以，由內襯引起的容積損失和重量增加等問題會顯著降低，幾乎可以忽略不計。在我們進行的粘接測試中，EVOH與我們的 PA6 材料粘接良好。”

Condé-Wolter還表示，在對含有和不含有碳纖維增強材料的PPA進行的比較中發現，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，可以為氫氣創造一條曲折的擴散路徑，這會降低滲透性。”

爆破測試和其他開發

當BRYSON項目內部的其他合作伙伴在開發阻燃涂層和燃燒測試時，ILK、LZS 和 herone 的團隊則在開發一種測試夾具和方法，以對管狀試樣進行1700bar的爆破測試。采用最大1200 bar的壓力對4個試樣進行了測試，而設計壓力為1400 bar。雖然沒有達到預期的爆破效果，但該團隊卻確定了存在的主要問題，即在測試夾緊過程中對內襯帶來的損壞，因此他們計劃進行后續的改進和進一步的測試。

其他應用

BRYSON項目展示的新型4型壓力容器概念不僅限于汽車應用。ILK研究所的所長 Gude 教授說：“我們已經朝著未來的可持續移動概念邁出了重要的一步，比如，在Saxonhy和SWAT項目中，我們已與我們的合作伙伴APUS（德國Strausberg）一起，為航空應用開發了類似的概念。”

細長的壓縮氣體容器將被用于APUS i-2飛機的翅膀上（圖片來源：APUS i-2手冊）

APUS正在開發零排放的氫動力飛機，目前該飛機系列包括i-2和i-5，它們的使用場景是，不需要液態氫，而是在這些飛機的機翼中安裝壓縮氣體容器。據該公司介紹，這種獲得專利的結構集成式儲氫系統與標準的儲氫罐相比，比能量密度提高了25%，能量密度是電池電動飛機的10倍。APUS還參與了2022年7月宣布的SaxonHY項目，TUD-ILK也參與了該項目聯盟。該項目的目標是，研究無內襯的5型儲罐，以提高重量儲存密度。