截止目前，設(shè)計(jì)用于高壓下儲(chǔ)存液體和氣體的壓力容器和儲(chǔ)罐的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)不同的階段：全金屬儲(chǔ)罐（I型）、復(fù)合材料纏繞金屬儲(chǔ)罐（II型）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）纏繞金屬內(nèi)膽儲(chǔ)罐（III型）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）纏繞塑料內(nèi)膽儲(chǔ)罐（IV型）。

 

　　而壓力容器的第五個(gè)階段——全復(fù)合材料的無(wú)內(nèi)膽儲(chǔ)罐（V型），是指不含任何內(nèi)膽、完全采用復(fù)合材料加工而成的壓力容器，長(zhǎng)期以來(lái)V型壓力容器一直被認(rèn)為是壓力容器行業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)。

 

　　2、CTD公司研發(fā)出V型高壓儲(chǔ)氣瓶

 

　　2020年年初，位于美國(guó)科羅拉多州拉斐特的復(fù)合材料技術(shù)開(kāi)發(fā)公司（Composites Technology Development Inc，CTD）與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、德克薩斯大學(xué)合作，成功地設(shè)計(jì)、測(cè)試并制造了第一臺(tái)商用、全CFRP無(wú)襯里的壓力容器，并將其安裝在FASTRAC 1衛(wèi)星上，1.9L儲(chǔ)罐的直徑約為6英寸（152毫米），直徑為7至8英寸（長(zhǎng)度為178至203毫米），重量?jī)H為0.44磅（0.2千克）。

 

　　

CTD公司研發(fā)的高壓儲(chǔ)氣瓶

 

　　復(fù)合材料中的碳纖維采用了美國(guó)東麗復(fù)合材料公司（Toray Composite Materials America，Inc.）提供的T700級(jí)碳纖維進(jìn)行細(xì)絲纏繞，并采用CTD專有的KIBOKO增韌環(huán)氧樹(shù)脂潤(rùn)濕。它的工作壓力為200 psi，極限壓力為1,000 psi，破裂壓力為2,000至2500 psi。該罐用于存儲(chǔ)氬氣，作為衛(wèi)星微放電等離子推進(jìn)器的組成部分。

 

　　與傳統(tǒng)的IV型瓶相比，CTD公司的全CFRP無(wú)里襯儲(chǔ)氣瓶重量將輕15％至20％，這對(duì)于航空航天工業(yè)中具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撔袠I(yè)對(duì)有效載荷重量極其敏感。但是，輕量化并非V型壓力容器的唯一優(yōu)勢(shì)，CTD公司研究表明，V型壓力容器全面投入生產(chǎn)后，其制造成本將降低，最明顯的原因是它消除了內(nèi)襯材料和襯套制造成本。

 

　　CTD公司對(duì)V型壓力容器大批量應(yīng)用的期望在于三個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新：材料、設(shè)計(jì)和工具。使用單一材料制造儲(chǔ)罐意味著需要開(kāi)發(fā)一種層壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以在壓力下提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且至關(guān)重要的是還要形成阻隔層，防止氣體、燃料和其他物質(zhì)的滲透。公司介紹說(shuō)其KIBOKO增韌樹(shù)脂系列（主要基于環(huán)氧樹(shù)脂）是CTD成功開(kāi)發(fā)出V型壓力容器的關(guān)鍵。

 

　　當(dāng)對(duì)儲(chǔ)罐加壓時(shí)，壓力會(huì)在所有方向施加到容器壁上，因此樹(shù)脂必須拉伸以吸收應(yīng)變，并且還必須通過(guò)與纖維粘合來(lái)提供結(jié)構(gòu)支撐。該公司測(cè)試結(jié)果顯示，與常規(guī)工業(yè)材料相比，KIBOKO樹(shù)脂在室溫和低溫環(huán)境中較高的應(yīng)變水平下會(huì)形成微裂紋。盡管用于FASTRAC衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)的儲(chǔ)罐都是濕式纏繞的，但是相同的樹(shù)脂也可以與真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）工藝兼容。在某些應(yīng)用中，只要可以確保獲得合理的纖維體積分?jǐn)?shù)，VARTM可能更合適的制造低孔隙率層壓材料的方法。

 

　　通過(guò)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)如纖維角度、纖維體積和層壓板厚度等可以創(chuàng)建“漸變復(fù)合材料”的材料，來(lái)滿足結(jié)構(gòu)和阻隔性能要求。盡管層壓板在儲(chǔ)罐的所有區(qū)域中既充當(dāng)結(jié)構(gòu)，又充當(dāng)屏障，但工程師可以調(diào)整設(shè)計(jì)功能以改變功能。

 

　　此外，沒(méi)有襯里的容器需要工具襯底，該襯底必須在容器固化之后被移除。CTD已與供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)了幾種新穎的模具技術(shù)，用于成型形狀受限制的復(fù)合材料。比如FASTRAC衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)所用的V型儲(chǔ)罐都是通過(guò)將細(xì)絲纏繞在非常規(guī)芯棒上而制成的，該芯棒在后處理步驟中會(huì)化學(xué)溶解。

 

　　3、ICT公司研發(fā)出V型高壓低溫儲(chǔ)罐

 

　　2020年4月，位于美國(guó)俄克拉荷馬州塔爾薩市的Infinite Composites Technologies（ICT）公司宣布，其成功研制出球形、無(wú)襯里、全復(fù)合材料低溫冷凍儲(chǔ)罐，該儲(chǔ)罐主要是一種用于將低溫推進(jìn)劑儲(chǔ)存在火箭動(dòng)力運(yùn)載火箭上的壓力容器。

 

　　用于太空旅行的運(yùn)載火箭需要儲(chǔ)存大量燃料，典型的火箭推進(jìn)劑（如氧氣、氫氣和氮?dú)猓┛梢栽谑覝叵乱詺怏w形式存儲(chǔ)，但是由于氣體的密度相對(duì)較低，因此為太空發(fā)射而存儲(chǔ)足夠的氣體推進(jìn)劑將需要非常大的儲(chǔ)罐，這增加了航天器的重量并限制了飛行器的重量。但是在理想情況下，這些推進(jìn)劑可以更高密度的液體形式存儲(chǔ)，從而可以使用較小的容器來(lái)存儲(chǔ)它們，但是許多常見(jiàn)的推進(jìn)劑必須冷卻至超冷溫度，通常指溫度低于-150°C時(shí)會(huì)以液體形式存在。

 

　　用于低溫燃料如液氮、液氧儲(chǔ)存的全復(fù)合材料設(shè)計(jì)往往會(huì)引起層壓板中微裂紋等難題。當(dāng)復(fù)合材料層壓板面臨極端溫度時(shí)，每層之間的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致破裂和泄漏。許多樹(shù)脂系統(tǒng)在低溫下也會(huì)變脆，從而加劇了這一問(wèn)題。

 

　　ICT公司于2018年向美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）推出了低溫冷凍箱的概念，后來(lái)開(kāi)始了一項(xiàng)快速開(kāi)發(fā)項(xiàng)目——復(fù)合式低溫冷凍箱，用于月球著陸器演示飛行器。ICT公司將V型高壓冷凍儲(chǔ)罐研制的核心技術(shù)歸結(jié)為材料，ICT公司的CryoSphere儲(chǔ)罐采用了日本東麗公司T800碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂制成，并通過(guò)纏繞絲線制成，在室溫下固化，然后在ICT塔爾薩工廠的工業(yè)烘箱中進(jìn)行后固化。

 

 

　　

　　無(wú)里襯碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂儲(chǔ)罐CryoSphere是在俄克拉荷馬州ICT工廠通過(guò)纏繞和工業(yè)烘箱固化而制造的；碳纖維選用了日本東麗T800級(jí)碳纖維。

 

　　為了解決微裂紋難題，ICT開(kāi)始對(duì)經(jīng)過(guò)化學(xué)增韌的專有環(huán)氧樹(shù)脂基體中不同濃度的幾種類型添加劑進(jìn)行迭代測(cè)試。在此過(guò)程中，研究小組發(fā)現(xiàn)了兩種添加劑的組合，當(dāng)再次對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它們可以使設(shè)計(jì)滿足熱要求，其中之一添加劑是石墨烯。

 

　　

 

　　2019年秋天，應(yīng)用石墨烯材料公司宣布，其石墨烯技術(shù)已被整合到兩個(gè)ICT樹(shù)脂系統(tǒng)中，用于低溫壓力容器，這些系統(tǒng)正考慮用于NASA航天飛行任務(wù)。

 

　　在低溫下，樹(shù)脂會(huì)變脆并開(kāi)始斷裂，隨著向纖維施加壓力，它們開(kāi)始彼此滑動(dòng)并破壞它們之間的化學(xué)鍵。石墨烯薄片充當(dāng)纖維層之間的機(jī)械增強(qiáng)物，減少了移動(dòng)和斷裂的可能性。此外，基體還摻入了其他專有添加劑，使層壓板在低溫下更具延展性，并在層壓板中產(chǎn)生了更多的絕緣性能。

 

　　ICT公司于2020年2月將其中5個(gè)CryoSphere儲(chǔ)罐交付給了NASA，最初計(jì)劃于2020年8月向ISS發(fā)射，但推遲到11月，預(yù)計(jì)在CryoSpheres運(yùn)送到ISS后，將其放置在氣象站的外部，并對(duì)其進(jìn)行了大約六個(gè)月的研究，并安裝了輻射傳感器，在繞地球旋轉(zhuǎn)并直接暴露于太陽(yáng)的情況下，測(cè)試材料在暴露于熱和輻射時(shí)的耐久性。