近日，德国亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）科研团队，采用粘性预浸丝束构筑混杂缠绕层，在无需新增设备、更换工装、裁切纤维的前提下，完成了复合材料压力容器封头局部补强作业。

储氢复合材料压力容器是燃料电池系统的核心部件，但其制造成本居高不下。依据工作压力不同，容器复合材料缠绕层成本占容器总成本比重约 57%~67%。通过对封头区域实施定向补强以精简耗材，已然成为复合材料压力容器领域的核心研发方向。德国亚琛工业大学纺织技术研究所目前开展专项研究，验证仅依靠纤维缠绕单一工艺即可实现封头局部定向增强，有望省去传统封头补强工艺中繁琐的额外加工工序。

图 1 纤维缠绕压力容器主流缠绕形式：极向缠绕、环向缠绕、螺旋缠绕

圆筒形压力容器存在固有受力分布特点：环向应力数值为轴向应力的两倍，封头区域所需补强强度远超常规极向缠绕、螺旋缠绕所能提供的力学支撑。美国能源部 2013 年发布的设计报告曾提出纤维衬垫补强法，即在正式缠绕作业前，于封头部位铺设离散碳纤维条带实现局部增强；但在 2015 年后续修订报告中，该方案因工艺流程复杂、不利于规模化量产，被移出基础通用设计方案。

此后行业内涌现出两种主流解决思路。德国西沃泰克公司推出桑巴 Pro PV-1 纤维贴片铺放设备，可在正式缠绕前于内胆封头表面铺设定向薄纤维贴片；荷兰塔尼克公司则搭建一体化机器人工作站，集成自动纤维铺放、纤维缠绕、橡胶自动缠绕多项工艺，能够在层铺成型任意阶段完成封头局部补强。但上述两种方案均存在弊端，要么需要工件跨设备转运，要么需频繁更换工装，还增设了纤维裁切与定点铺放等额外工序。

亚琛工业大学纺织技术研究所另辟蹊径，利用预浸丝束自带粘性特质，在纤维缠绕过程中成型混杂缠绕层。传统极向、螺旋、环向缠绕层两端端点均统一处于封头区或筒体区，而新型混杂缠绕层一端设于封头、另一端设于筒体。预浸丝束将纤维与半固化树脂融为一体，缠绕过程中依靠树脂粘性产生摩擦力，可实现湿法缠绕工艺难以稳定成型的非测地线缠绕轨迹。该工艺可将局部补强层灵活嵌入复合材料层铺结构任意位置，全程无需更换生产设备、调整工装模具，也无需进行纤维裁切与重新送料操作。

图2 纤维缠绕式封头补强层工艺试制演示

图3 两端封头均缠绕布设局部补强结构，并采用过渡层实现两层补强结构相互衔接

目前该技术已在研究所管状复合材料实验平台完成实验室可行性验证，不过仍存在多项工程应用难题。最突出的问题为筒体端点处材料堆积：多层混杂层叠加缠绕时，必须错开端点位置，防止局部壁厚过大影响结构整体可靠性。筒体端点与封头过渡区的间距也需精准优化，该参数受缠绕张力、丝束幅宽、容器内径多重因素影响；缩短间距可减少用料，却容易引发纤维滑移、排布失稳等问题。

下一阶段研发将借助Rheinmetall Invent公司 RHWind 缠绕专用软件生成层铺结构模型，开展有限元仿真分析。在双方联合开展的氢能领域联合研发项目中，研究团队已完成该软件功能拓展，可实现混杂层结构设计，并将成型层铺模型导入有限元分析软件，完成高精度渐进损伤模拟验算。研发最终目标是确认混杂缠绕层能否达到等效补强效果，以此替代部分传统螺旋缠绕层；并依托仿真数据优化筒体端点布设位置与工艺适用区间，推进工业化试制落地。