聚芳醚酮復材-液氫管線
Herone GmbH的自動化技術結合了膠帶編織和壓模，生產出輕質化、單元化的TPC低溫燃料管線，應用于液氫飛機推進系統和航天發射器等應用。
共固結一體成型的CF/LMPAEK法蘭與管體形成連續熱塑性材料系統，消除了傳統低溫線組件所需的金屬硬件和粘合界面。 氫(H2氣體在大氣壓下以-253°C（20.28 K）)的溫度液化，僅比絕對零度高20度。此溫度已低至足以使大多數結構材料變得脆性，而氫氣作為最小的分子之一，其尺寸足以穿透材料中的任何縫隙并直接滲透通過。對于地面低溫基礎設施來說，這些挑戰是可以應對的：不銹鋼和真空被套管線路體積龐大且沉重，但當重量不再是限制時，它們是可以接受的。 如果把同樣的要求應用到商用飛機上，情況就完全不同了。液氫(LH2)燃料電池動力的客機必須布線LH2從油箱到燃料電池，通過足夠輕量且可行的燃油分配系統，在25年的使用壽命內能經受超過1萬次熱循環，每次飛行都會將所有溫度加熱回環境溫度，然后開始下一次低溫浸泡。美國弗吉尼亞州漢普頓NASA的研究顯示，如果沒有足夠的絕緣，50%-70%的LH2飛行中可以沸騰，這一數值使H2如果燃油系統從一開始設計不當，航空業就無法商業化。 傳統的金屬低溫管線通過波紋管、O型圈、螺栓法蘭和機械密封來應對這種熱循環產生的熱收縮;這些元件也會使系統中潛在泄漏點的數量成倍。在接地應用中，泄漏是不受歡迎的，例如H2，會在空氣中迅速上升并擴散。在一架載有低溫、高度易燃燃料的有人飛機中，每一個接頭都是設計者和監管者都必須考慮的責任。傳統的金屬工藝，借鑒自工業低溫技術，根本沒有考慮到這一限制。 TPC的基礎低溫設計 總部位于德累斯頓的 Herone GmbH（德國）在過去幾年里，從基本原理重新設計了低溫流體管線，特別是針對航空航天作業環境，參與了德國政府資助的 LuFo 項目 WAKOS 和 ZEDI。 該公司成立于2018年，是德累斯頓工業大學輕量化工程與高分子技術研究所（ILK）的分拆企業，其技術基于聯合創始人克里斯蒂安·加特豪斯（Christian Garthaus）博士和丹尼爾·巴夫斯（Daniel Barfuss）博士在ILK博士研究中經過十年的熱塑性復合材料（TPC）中空型材研究。該基礎催生了Herone專利的連續吹塑和注塑成型工藝，應用于單元化熱塑性傳動軸和齒輪示范機。公司專注于碳纖維增強低熔點聚芳醚酮（CF/LMPAEK;LMPAEK來自英國克利夫利斯的Victrex）以及聚醚醚酮（PEEK）復合中空型材，形成了一種材料系統，比不銹鋼減輕50-60%的重量，并具備一套物理性能使其非常適合低溫H2的需求應用。這一物質重點是公司LH2的基礎燃油管系統設計。
一款為航天應用生產的全尺寸CF/LMPAEK低溫線組件展示了Herone在飛行硬件尺度上的非熱壓罐（OOA）編織和固結工藝。
該基礎已經生產了飛行硬件。她與德國不來梅的阿麗亞娜集團合作，參與歐洲航天局（ESA）未來運載火箭準備計劃（FLPP），最近完成了阿麗亞娜6號運載火箭首個全尺寸CF/LMPAEK低溫線系統組件，采用近凈形、膠帶預制、非熱壓罐（OOA）組裝體，集成熱塑性配件與管路一體化，設計用于承載運載火箭的壓力負載和低溫環境。該航天應用首要要求最小質量，采用單壁管線設計，短暫的任務時間和外部通風可控制殘留泄漏風險。
相比之下，航空業要求更難實現的目標：雙層隔壁系統、真空絕緣、二次防護和泄漏率，足以在數千次飛行周期內安全。阿麗亞娜6號組件展示了制造工藝的全規模運作;航空項目則是工程需求真正未知的地方。
熱塑性與熱固性基體的選擇 要理解Herone的方法，有必要考慮復合材料在反復低溫循環過程中會發生什么。環氧基熱固性復合材料在這種條件下表現類似玻璃：在正常使用中剛性且具備能力，但在接近低溫溫度（低于-150°C）時，材料中潛藏的脆性會變成結構性。在熱循環中，基體微裂紋可以啟動并穿過層壓材料。每個裂紋都是一個潛在的H2泄漏路徑，不是因為層壓板結構失效，而是因為H2分子直徑足夠小，可以穿過許多結構評估認為可以忽略的裂縫。 PAEK系列熱塑性塑料的表現不同。“可以把它們想象成柔性聚合物瓶，而不是玻璃瓶。它們在極低溫時保持了熱固性所失去的延展性，”herone聯合創始人兼管理合伙人丹尼爾·巴夫斯（Daniel Barfuss）解釋道?！爱敎囟葮O低時，幾乎所有材料都會變得更脆弱，我們需要材料足夠柔韌，以防止細微裂縫導致泄漏。這就是為什么熱塑性塑料在這里很有價值?！?/p> PEEK在-196°C（77 K）—液氮（LN2）的沸點—斷裂時保持約3-4%的伸長）以及用于低溫材料表征的標準溫度，代表了-253°C LH2的保守代理使用條件—相比之下，玻璃纖維/環氧系統約為1.5%。標準低溫測試溫度77 K被用于材料表征，因為該低溫劑在任何實驗室都很容易獲得，使其成為評估材料行為的實用且可重復的初步基準，即使實際使用溫度（如LH2）也適用應用溫度更低，約為-253°C。 PAEK聚合物所提供的保留柔韌性，是介于在熱疲勞下抗微裂紋的層壓板與不抗微裂紋的層壓板之間的區別。TPC總體上還表現出顯著更高的模式I層隙韌性—即將兩塊結合復合材料像書本一樣撬開所需的單位面積能量—約是熱固性復合材料的五倍。因此，裂紋不僅啟動速度較慢，而且一旦裂紋傳播，還需要更多的能量才能傳播。 低溫熱循環后熱固性CFRP（左）和CF/LMPAEK層壓板（右）的顯微照片比較分析顯示熱塑性基體對微裂紋的抵抗力。
滲透是一個獨立但相關的問題。即使沒有裂開，H2在濃度梯度下通過復合層壓板擴散。CF/LMPAEK層壓板的氫含量約為其10倍在低溫溫度下，以及液氫-253°C時，滲透率優于環氧系統服務，即通過復合墻體本身的滲透變得微乎其微。臨界窗口是在地面作業、加油和預熱階段處于環境溫度下，此時仍需加層屏障層。 與其將襯墊作為次級后處理步驟，Herone在預制過程中直接在編織層之間集成金屬薄膜滲透屏障。熱塑性功能化的障壁層成為管壁的一部分，經過共加工，保持復合材料截面的均勻性，避免了單獨鋪設襯里形成的粘結界面。 “當你使用高品質熱塑性塑料并獲得良好的成型表面時，你會得到富含樹脂的外層，且沒有裸露的纖維，”巴弗斯說?！澳莻€表面密封。你不需要金屬，只需要樹脂。這是人們不期待熱塑性塑料能做到的事情之一。” 消除接頭 他們選擇的材料解決了關鍵的微裂紋和滲透問題，但更深層的工程問題是結構性的：如何在沒有波紋管、O型圈和螺栓法蘭的情況下建造低溫飛機燃油管線，而這些部件使傳統金屬組件的接頭重量如此沉重？ 集成的CF/LMPAEK法蘭與管體在單沖壓循環中合并，減少接頭數量和系統質量，同時在整個裝配過程中保持熱塑性材料的均勻性 答案在于PAEK熱塑性復合材料在制造層面所具備而熱固性復合材料不具備的能力。由于TPC可在初始固結后重新加熱和重塑，因此可直接在復合管體上通過單一集成制造工序進行注塑成型或共固結功能性部件（法蘭、管件、套環、密封面）。短纖維增強PEEK與預熱至約200°C的PAEK預制件在380°C下共固化，從而在聚合物界面實現分子內聚鍵合，并在宏觀尺度形成幾何互鎖。這產生了Herone所稱的“成型鎖定接頭”—一種無需粘合劑、緊固件或彈性密封件即可實現比單純內聚鍵合高44%扭矩承載能力的連接。法蘭并非附著于管體，而是管體本身，由同一材料體系制成并通過分子鍵合形成一體。巴弗斯說：“共合并是一種技術，可以消除后期處理接合操作和額外的連接規格，比如敲擊?！薄霸摴に嚤举|上集成于復合材料本身的基本固結規范中。因此，共固結的剪切設計值是傳統金屬復合膠粘方法的三到四倍?！?/p> 對于航空LH2來說應用中，Herone正在開發雙層結構：復合內管承載LH2，通過真空絕緣環形間隙與復合外部容器隔開，該環形間隙由3D打印聚合物墊片維持。真空間隙提供熱絕緣，這對于減少長達5小時飛行的蒸騰至關重要，同時在內管發生泄漏時作為二次隔離?？缈臻g監測能力能在故障蔓延到外墻之前提供早期檢測。 通過設計兩壁均采用相同的CF/LMPAEK材料系統，并分別編織獨立層壓，Herone獨立調節每根管的熱膨脹系數（CTE-coefficient of thermal expansion）。內管上幾乎為零的軸向CTE層壓在冷卻時抑制軸向收縮。內外壁匹配的CTE設計消除了傳統管路通過風箱產生的差異運動。取消波紋管可以同時減少接頭數量、系統重量和潛在漏點庫存。 編織到功能組裝 公司的制造流程始于自動編織膠帶。Victrex AE250 以 LMPAEK 基材形式供應，PAEK 兼容漿料，比未上漿纖維提供 20% 的纖維基體附著力，由機器人系統編織在芯棒上，控制送料速率、編織角度和層次順序。編織角度可從±15°到70°，并支持純0°層積分，使層壓架構能夠針對不同應用進行調校—包括用于CTE管理的特定多軸角和用于內部壓力下箍應力承受能力的高螺旋角。對于彎曲截面，芯軸幾何形狀使管材通過直徑超過兩倍的彎道而不發生纖維皺褶，這是TPC膠帶結構相較于需單獨合并的干纖維編織的直接優勢。 機器人磁帶編織沉積以受控編織角度完全浸漬CF/LMPAEK磁帶，形成網狀空心預成型體，無需中間加工步驟即可通過氣囊輔助鞏固。 編織預制件完成后，包括在此階段指定層壓板之間定位的金屬屏障膜，組件將轉移至加熱壓機。通過管孔插入的內部充氣氣囊從預制件內部對工具表面施加徑向壓實壓力，同時壓機組件加熱至加工溫度：用于LMPAEK聚合物碳纖維預浸料疊層的305-340°C，用于PEEK的385°C。這種非熱壓罐（OOA）壓合工藝可在約15分鐘內使空隙含量低于2%，而熱固性預浸料的熱壓罐固化則需要240分鐘。 公司位于德累斯頓的工廠生產投資超過400萬歐元，目標每年生產2萬個零件，這一吞吐量僅在15分鐘一次的整合周期中才有意義。金屬屏障膜在固結前置于編織層之間，并在同一沖壓周期內熱熔融于成品墻體，無需單獨的工藝步驟。 在現場組裝方面，Herone還開發了基于PEEK的電熔槽系統：嵌入熱塑性套筒中的電阻加熱元件在通電時加熱接頭至熔合溫度，現場焊接兩條線段無需額外工具或外部熱源。 “巴夫斯表示：‘我們開發了一種類似 plumbing 的連接方法。您只需將接頭帶到現場，連接一個簡單的電氣接口，其余工作由熱量完成。無需工具，無需外部壓力；連接會在原位熔合。” 這一概念帶來了既有管道行業接合技術的簡單性，使管道截面能夠可靠地熔接到航空航天級復合低溫管線。 為航空航天項目中CF/LMPAEK提供論據 對經長期低溫熱循環處理的CF/LMPAEK層壓板試樣的顯微照片分析表明，在平板試樣和管狀結構中均未檢測到可測量的微裂紋。這與同等條件下熱固性復合材料的測試結果形成了關鍵區別。對循環和非循環試樣的滲透測量證實，集成屏障的層壓板滿足航空液氫服務要求。該材料系統已獲得更廣泛航空航天項目在PAEK類材料認證下的合格數據，且其制造商持有AS/EN9100制造認證。 CF/LMPAEK管壁的橫截面顯微照片顯示，金屬滲透屏障層在壓實過程中熱熔合于層壓層之間，且無粘合界面。 與航空航天級不銹鋼相比，CF/LMPAEK帶編織管組件預計可減輕50-60%的線路系統重量。集成CF/LMPAEK法蘭帶來的額外節省，使得獨立的金屬法蘭硬件更易，因為法蘭約占金屬線總質量的三分之一。 該技術目前處于航空雙層配置的技術準備等級(TRL)3，目標是在未來一年內提升TRL 6。目前尚無專門針對LH2的認證標準客機上的管道;EASA CS-25規范正在調整中，FAA 2024年12月發布的氫燃料飛機路線圖設定了2028年和2032年的開發目標。盡管如此，herone基于CF/LMPAEK的管狀組件的失效行為與這些框架的監管意圖高度契合。與可能在過壓下突然斷裂的金屬管不同，TPC管首先在聚合物基體中斷裂，導致通過間隙監測系統檢測到的緩慢局部泄漏，且在任何結構事件發生前即可檢測到。這種失效模式的可預測性既是CF/LMPAEK的工程論據，也是安全論證。 該設計的熱塑性基質為可持續性提供了圓滿解決方案。由于LMPAEK可進行再熔煉，生產廢料及報廢部件能夠被重新加工成切碎的熱塑性復合材料原料，從而避免了熱固性復合材料廢料通常被送往填埋場的命運。對于一個開始將循環經濟責任視為真正的設計約束而非單純的合規操作的行業而言，這種可再生性具有至關重要的意義。 “我們所做不僅僅是用復合材料替代金屬，”巴弗斯指出?！拔覀冋跇嫿ㄒ粋€航空領域內的系統基礎設施，該基礎設施不僅能夠符合標準、進行維護，最終還能實現回收，并且以滿足行業最終需求的方式進行生產?！?/p> 編后感言 江蘇丹陽亨博復材公司有自主研制的高溫度、高強熱塑樹脂。該公司最有條件研制液氫管線。
原文，《Braided CF/LMPAEK tube system reduces liquid hydrogen fuel line weight by 50-60%》 2026.4.20 楊超凡
