氢气正作为未来具有广阔前景的能源介质在多个行业中崭露头角。在移动应用中，氢气通常以气态形式储存在高压复合材料缠绕压力容器（COPVs）中。目前最先进的压力容器技术被称为V型，这种技术取消了在IV型容器中使用的聚合物内衬屏障，转而依靠碳纤维层提供结构强度并防止气体泄漏。在高压条件下实现这一功能存在许多工程挑战，这些挑战至今仍阻碍了其商业化应用。此外，传统的COPVs制造工艺——纤维缠绕技术，也存在一些限制设计空间的约束条件。自动化纤维铺放（AFP）是一种高度灵活的机器人复合材料制造技术，具有取代纤维缠绕技术用于复合材料压力容器制造的潜力。此外，一种新型的V型CPV设计概念也适用于通过AFP技术生产的两件式容器。

1 .介绍

为实现政府间气候变化专门委员会防止全球变暖超过工业化前水平1.5°C的目标，全球正采取措施减少碳排放。氢气作为能源载体被视为实现这一目标的重要途径。然而，氢气的储存在重量和体积方面存在挑战，尤其是在航空航天和汽车领域。目前主要以气态形式储存氢气，需在极高压力（350-700 bar）下实现。常见方法是在碳纤维复合材料压力容器中储存，这些容器比钢制容器轻四倍以上。

目前工业上常用的压力容器可分为五种类型，如下图所示。其中，I型容器结构最为简单，是当今使用最广泛的类型。II、III和IV型容器被统称为复合材料包裹压力容器（COPV），这类容器通常采用碳纤维来承受部分或全部的结构载荷，并使用金属或塑料衬里来容纳气体。由于IV型容器具有最轻的重量和最高的存储密度，广泛应用于地面运输领域。著名的氢燃料电池电动汽车，如丰田Mirai和本田Clarity，均采用了工作压力为700 bar的IV型容器。

圆柱形IV型压力容器的结构如上图所示，其塑料内衬通常由高密度聚乙烯（HDPE）或聚酰胺（PA）制成，用于防止气体泄漏。容器两端设有极开口，并配有极凸台，凸台用于填充和排空容器，通常还包括传感器通道。I至III型容器的凸台通常与内衬集成在一起，而在IV型和V型容器中，凸台则是单独的金属或复合部件。由于IV型容器在许多行业中应用广泛，成为了深入研究的重点。然而，最新的复合材料压力容器技术为V型容器，即无衬里容器。V型容器没有内衬，因此复合材料不仅作为承载结构，也同时作为气体屏障。由于无衬里设计消除了衬里与复合材料之间的应变相容性问题，从而提升了疲劳性能，并可能实现10-20%的重量减轻。

传统上，COPV/CPV使用长丝缠绕（FW）技术制造，该技术通过将张紧的纤维带缠绕在旋转的心轴上实现。尽管该技术功能强大且成熟，但仍存在一些固有的局限性。通过采用更先进的制造方法，如自动纤维铺放（AFP），可以进一步优化COPV/CPV的设计。AFP作为传统纤维缠绕技术的演变，提供了更高的精度、更高的质量和更低的材料损耗。V型容器设计与AFP技术的结合有望大幅提高氢气的重量和体积密度。然而，在成为IV型储罐的可靠替代品之前，商业化应用仍面临一些工程挑战。

1.1 V型压力容器的现有研究

早在20世纪80年代，航空航天行业就开始对V型压力容器进行研究。虽然许多研究团体已开发出用于商业应用或工业研究的V型储罐，但目前可供严格审查的同行评审文献仍然非常有限。以下是几项有关V型CPV设计和制造的研究工作。

马利克等人生产了多种不同尺寸的V型测试容器，并评估了它们的氦气渗透性和机械性能。与同等的I型储罐相比，某一设计的存储容量增加了15%，而质量减少了25%。另一种设计在检测到氦气泄漏前实现了558.5 bar的压力，并在620.5 bar的爆破压力下接近汽车行业的标准工作压力700 bar。琼斯等人也设计并制造了全尺寸演示罐，通过了41.4 bar的验证测试，并在27.6 bar压力下进行了2000次循环测试。森本等人准备了由富士重工有限公司采用准各向同性叠层模式制造的两个无内衬压力容器，并在液氮温度下加压至11 bar，进行了氦气泄漏测试。通过应变计和声发射测试评估容器的损坏情况，结果显示在低温下或低温处理后未检测到损坏或泄漏。

拉菲等人研究了有衬里和无衬里储罐的爆破压力预测，考虑了制造过程中存在的随机效应。研究发现，无衬里储罐的第一层失效和最终爆裂均发生在较低压力下，且Hashin和Hoffman失效标准能够准确预测无衬里储罐的第一层失效。

2. 使用纤维缠绕的传统制造

除了少量用于空间应用的燃料罐外，大多数压力容器都是通过纤维缠绕工艺制造的。该工艺自20世纪40年代以来便被广泛使用，尽管其以高精度、自动化程度高和成本低而著称，但它存在若干缺点，可能限制其灵活性和优化的潜力。

自动纤维铺放（AFP）和自动带铺（ATL）是复合材料制造领域中最先进且广泛应用的自动化制造技术。ATL在较简单的表面上以高速铺放宽带（通常为75–300毫米），因此适用于飞机机翼蒙皮等大型开放模具。然而，由于宽带容易在复杂曲面或内部几何形状上产生褶皱，ATL在这些应用中表现较差。

为克服这些局限性，AFP于20世纪80年代开始开发。AFP使用比ATL更窄的纤维束（通常为3.175–12.7毫米），结合了纤维缠绕和ATL的元素，能够在曲面上进行铺放，并使纤维在多方向上排列。然而，这种灵活性往往以降低铺层速度为代价。与纤维缠绕和ATL相比，AFP工艺的一大优势是其能够进行纤维束引导。纤维束引导指的是将纤维放置在非测地轨迹上，以实现对表面的全面覆盖，并实现优化和可变刚度。在AFP过程中（见示意图），进料纤维束从一组纱轴输送至压实辊。纤维束通过火炬或其他热源加热，并由压实辊压紧以促进与现有层的粘附。在每一组纤维束（称为一“路”）的末端，通过刀具将带材切断，随后工艺可以重新开始。大多数AFP机器人能够同时铺放多条纤维束。多位学者近期对AFP工艺、其特性和缺陷、前景及局限性进行了全面的综述。

3.1. 在压力容器中的应用

目前，AFP在压力容器中的应用较为有限，且为了保护知识产权，许多文献中的细节被省略。美国能源部（DoE）氢能计划对部分使用AFP制造的IV型压力容器进行了研究。该方法利用AFP制造容器的端部穹顶，然后将其放置在模具上，并通过纤维缠绕进行外包覆，从而完成整个容器的制造。该项目旨在利用AFP的切割与添加功能，对穹顶区域进行选择性加固，而不会在圆柱部分增加多余材料，这在纤维缠绕过程中是无法避免的，因为纤维带必须穿过圆柱部分以从一个穹顶移动到另一个穹顶。在为期六年的项目中，制造了许多原型容器，并进行了研究，以评估在大规模生产（每年50万个单位）条件下混合AFP/FW罐的优势。其中一种设计相较于完全纤维缠绕的基线罐实现了32%的重量减轻。

NASA与波音公司合作开展了复合材料低温罐技术与演示（CCTD）项目。项目中制造了两种直径分别为2.4米和5.5米的样品容器。两种容器均由碳纤维/环氧树脂材料制成，使用AFP工艺制造，其中较大的5.5米罐的制造过程如图4所示。使用了3.125毫米（1/8英寸）和6.35毫米（1/4英寸）纤维束的组合，其中较薄的纤维束用于曲面的穹顶区域。与传统的铝锂罐相比，重量和成本分别减少了25%和30%。这些罐在9.3巴的低温液氢条件下成功完成了压力循环，并通过了包括声发射检测和氦泄漏测试在内的多种测试。该项目的详细内容可参见McCarville等人的书籍章节。

激光辅助带材铺放（LATP）技术在使用热塑性复合材料的COPVs/CPVs中的应用研究较少。Schakel等人对该主题进行了最详细的研究，相关内容在第3.3节（AFP在压力容器应用中的挑战）和第5.1节（压力容器制造中使用的材料）中进行了讨论。Schakel等人使用纤维缠绕软件Composicad设计了他们的罐体，因此设计并未充分利用带材铺放技术的切割和重新启动功能，这些功能可以通过专用的AFP编程软件实现。现有的大多数AFP在压力容器中的应用集中于大于汽车应用的罐体，这些罐体的规模使得所需的纤维缠绕设备可能不切实际或无法满足设计要求。特别是，大型罐体已被研究用于运载火箭或类似载具中的低温空间燃料（如液氧和液氢）的运输。

Doyle等人提出了使用热塑性CF/PEEK材料制造的低温燃料罐的设计。罐体的圆柱区域采用ATL工艺制造，穹顶部分则通过手工铺层完成。虽然提供的技术细节有限，但制造了样品平板以评估空隙含量和基本强度特性。为了连接穹顶与圆柱部分，他们提出了一种无定形中间层粘接技术。该技术在粘接界面使用聚醚酰亚胺薄膜，当部件在受热条件下被压在一起时，薄膜熔化形成结构性粘接。

3.2. AFP在压力容器中的潜在优势

3.2.1. 可变角度纤维束与纤维引导

AFP能够实现非测地路径和引导路径的铺放，使纤维铺层的优化程度高于纤维缠绕（FW）。这一能力被称为可变角度纤维束（VAT）。Rouhi等人的研究[65]很好地展示了VAT的优势。他们制造了一个圆柱体，其中50%的铺层使用VAT（50%使用恒定角度），结果表明与准各向同性铺层相比，其弯曲诱导的屈曲载荷增加了28%，而实验结果显示改进了18.5%。

VAT还被应用于压力容器设计中，以消除容器壁内的弯曲应力，这种应力通常发生在穹顶与圆柱的接口处。Daghighi等人展示了使用旋转超椭球形状制造无弯曲复合材料压力容器的可能性。该设计通过使用低剖面椭圆穹顶，实现了复合材料的均匀厚度应力分布，并减少了外部尺寸。研究中还识别出多个几何和材料引起的限制，这些限制约束了可能的超椭球形状。同一作者还进一步研究了热机械载荷以及使用复合材料失效准则计算无弯曲设计的允许内部压力。

Fan等人也推导了无弯曲应力椭圆头的控制方程。与Daghighi等人考虑的椭球不同，他们对具有五种不同纵横比的椭圆头和一个圆柱形中心部分的容器进行了数值模拟。模拟验证了弯曲应力的抑制效果，并发现与各向同性材料穹顶和恒定纤维角度穹顶相比，穹顶-圆柱接口处的应力分别减少了13.7%和34.9%。作者还指出，圆柱和穹顶的理想纤维角度不同，这导致了角度兼容性问题，如下图所示。此问题在模拟中未被纠正，这将在制造过程中面临从这些区域之间平滑过渡的挑战。

尽管无弯曲压力容器的研究可能对未来设计产生影响，但尚未进行实验验证。无弯曲设计也未考虑在容器至少一端安装极性接头的需求，这将打破所需的纤维图案。此外，为实现所需纤维角度所需的引导半径可能会超出当前AFP设备的引导能力。如图5所示，在穹顶中心处需要非常紧的引导半径。一个潜在的解决方案是“连续纤维束剪切”（CTS）。Kim等人707070使用定制的纤维铺放头，利用纤维内部的剪切特性，实现了最小30毫米的引导半径，这大大改进了传统约500毫米的最小半径。然而，该技术仍处于起步阶段，研究中达到的铺放速度较低，仅为3毫米/秒。

3.2.2. 选择性加固

选择性加固是使用AFP构建压力容器的另一大优势，因为它可以直接解决第2节中列出的第二个不足之处。除了之前讨论的美国能源部氢能计划的研究外，目前文献中尚无量化AFP所能实现的具体改进的研究。然而，局部加固使用补强片的研究提供了潜在改进的良好指示。

例如，Roh等人通过有限元分析优化了一种在穹顶区域使用补强片进行选择性加固的IV型容器。该补强片如图6所示，由碳纤维“条”组成，放置在穹顶的螺旋层之间，纤维方向接近90°，提供环向加固并允许减少螺旋层的厚度。作者报告称，这种设计在理论上可减少近10%的复合材料使用量。Kartav等人设计并制造了一种使用补强片层进行穹顶加固的III型压力容器。添加补强片层被发现可使爆破压力增加29%，并将失效位置从穹顶移动到圆柱区域，这被认为更加安全。

3.3. AFP在压力容器应用中的挑战

3.3.1. 缺陷控制

与纤维缠绕相比，AFP技术还不够成熟，且在较少的商业产品中使用。AFP部件的质量高度依赖于大量变量[13]。例如，压实辊的尺寸必须与部件的曲率相匹配，以确保纤维束的良好压实。如果匹配不正确，切割操作的精度可能会降低，并可能出现纤维束滑移或桥接等缺陷。Oromiehie等人和Belnoue等人对AFP缺陷及其产生和对性能的影响进行了广泛的综述。下图展示了四种最常见的缺陷类型。纤维束之间的间隙和重叠是最常遇到的缺陷之一，会导致缺陷区域的厚度不均匀。Croft等人发现，间隙会在拉伸、压缩和开孔拉伸测试中导致强度降低。相反，重叠则在这些测试中增加了强度。Woigk等人进行了类似的研究，使用手工铺层模拟了AFP缺陷。作者发现，单独存在的间隙或重叠对拉伸或压缩强度没有显著影响，但当二者结合时，会产生负面影响。

另一个需要研究的重要缺陷是AFP层压板的孔隙率，这在上图中未显示。Oromiehie等人使用显微镜和中子断层扫描研究了AFP制造的层压板的孔隙率。研究表明，增加的孔隙率会降低层间剪切强度。AFP的加工参数也会影响孔隙率，尤其是压实力和温度对孔隙率具有显著且非线性的影响。

3.3.2. 物理限制

AFP工艺中的物理限制也是压力容器制造面临的挑战。当前AFP头部较大，如果考虑不周，可能会与部件或工具发生碰撞。在航天应用的火箭级罐体中，这个问题不太严重，因为随着罐体直径的增加，AFP头部与部件和工具之间的尺寸差也增加，为头部的移动提供了相对更多的空间。较小的罐体由于较低半径的端穹顶，需要更快速的头部移动，这对机器人的控制器来说可能是个问题。对于小型罐体，即汽车应用方面，Schakel等人（前述第3.1节讨论）是唯一克服这一挑战的研究。作者使用Fraunhofer的“多材料头”与激光辅助带材铺放（LATP）设备，生产了多个直径为304毫米、带PA6衬里的GF/PA6样品罐。如图8所示，压实辊具有较大的直径并为悬臂式设计，使得带材可以非常接近头架处铺放，如同在纤维缠绕中进行的那样，而不会发生碰撞。这些特性与图8右侧所示的常规现成的热固性铺放头显著不同，后者在辊两侧都具有支撑。需要注意的是，LATP头部铺放的是单条12毫米宽的带材，而热固性头部铺放的是4条6.35毫米宽的带材。从图8的外观检查来看，热固性头部无法如多材料头那样无碰撞地与头架切线铺放材料，这为使用大多数商业可用AFP硬件的制造带来了挑战。在不改造铺放头的情况下，这一挑战或许可以通过创新用于固定容器的工具和支撑结构来解决。

Qu等人提出了一种模拟方法，用于评估AFP头对铺放表面的可达性。该方法考虑了压实辊访问部件表面的位置空间能力以及将压实辊垂直于表面的能力（高度空间）。针对特定的AFP设备，评估了可能的位置和高度空间，并用于验证样本工具表面的可达性。

在某些情况下，复杂的几何形状可能无法使用现有的AFP设备进行制造。Hély等人对复杂的Y形管道进行了AFP铺层模拟，如下图所示。研究发现，由于所需的高曲率纤维路径会导致纤维束屈曲，用传统AFP设备覆盖该几何形状非常困难。作者指出，CTS可能有能力克服这一问题。此外，由于机器人关节运动范围的限制，有许多区域无法实现覆盖。作者还假设铺放头足够小以避免碰撞，这在实际制造场景中并不成立。即使克服了碰撞困难，复杂的穹顶曲率和三维头部运动也会限制铺放速度。虽然在简单几何形状上AFP铺放速率可达150公斤/小时，但随着复杂性的增加，可能需要降低铺放速度，或使用较短的铺层路径或较窄的纤维束。纤维缠绕受此现象影响较小，因此在考虑AFP和FW的制造时间差异时，应将其与其他优缺点一起考虑。

这些制造挑战可以通过对AFP工艺的深刻理解和数字孪生技术来解决。数字孪生将物理过程与基于计算机的模拟相结合，以实现智能制造和复杂的过程控制。Zambal等人构建了干纤维AFP工艺的数字孪生。实时数据被收集用于检测缺陷和其他相关信息。该模型能够在缺陷出现时，通过有限元分析计算其影响。同一作者还提出了一种基于人工智能的图像缺陷检测概率模型，用于AFP工艺。Sun等人对AFP制造中使用的各种在线缺陷检测技术进行了综述。

IV型压力容器技术已经成熟，并在商业应用中广泛使用。然而，V型压力容器目前处于较低的技术成熟度阶段，这从现有文献的缺乏中可以看出。在大规模采用之前，亟需克服制造方面的挑战。

无论是纤维缠绕工艺还是AFP工艺，都必须使用心轴来缠绕纤维。在II-IV型罐中，内部衬里作为心轴使用，并在缠绕完成后留在容器内部。对于V型罐，心轴必须被移除以实现无衬里设计。传统的方法是使用可溶解心轴，可以通过水从罐中去除。沙子、石膏和聚乙烯醇（PVA）都曾被用于这一目的。Jones等人指出，由于材料兼容性的限制以及根据极性开口的大小，溶解心轴的移除可能存在困难，因此这些心轴并不总是可行。作者采用了两件式复合材料壳体作为心轴。这种心轴通过在实心工具上进行纤维缠绕并将部件切割为两半来移除工具，然后再将两半重新粘合在一起。生产由两半组成的复合材料心轴的好处包括更容易安装罐内部件以及便于检查。

CCTD项目（前述第3.1节“在压力容器中的应用”中讨论）也使用了实心工具。替代可溶解心轴，项目中构建了分段工具（下图）。2.4米直径的演示罐使用了24个实心复合材料段，沿赤道分裂并组合在一起形成完整的心轴。连接面和关键几何形状被精密加工并通过协调特征进行索引，以确保准确的组装。在AFP铺层后，为了移除工具，段件从罐内解开并通过极性开口提取。2.4米罐的开口直径为457毫米，允许工作人员进入罐内移除段件。此方法适合大罐，但尚未在较小规模的罐（如汽车应用的罐）上进行验证。

5. 材料及材料增强

5.1. 压力容器制造中使用的材料

5.1.1. 纤维

复合材料压力容器通常采用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，或它们的混合物进行加固。然而，大多数复合材料压力容器使用碳纤维进行加固，因为其具有较高的强度和刚度特性。在COPV/CPV制造中，几乎完全使用单向纤维，因为它与纤维缠绕（FW）和自动纤维铺放（AFP）制造兼容，并在纤维方向上提供最高的强度。在某些情况下，也使用了织物材料，但通常是在重量要求不高的容器中，因为相较于单向纤维束，其强度较低。

选择纤维时，一个重要的考虑因素是尺寸效应。Hwang等人研究了纤维强度对容器性能的尺寸效应。由于机械性能与材料中的缺陷密切相关，随着组件尺寸的增加，强度会有所下降。在从纤维束测试到纤维缠绕压力容器的规模扩大过程中，预测并通过实验验证了纤维强度减少了16-32%，这强调了在进行试样测试时理解尺寸效应的重要性。Hwang等人还开发了环爆试验。该测试通过模拟环向应力对代表压力容器环向层的纤维缠绕环施加载荷，直到失效。与传统的拉伸测试相比，该方法能够捕捉到纤维缠绕工艺参数，且在5%的显著性水平内，其失效应变结果与全尺寸容器相同。此外，Cohen等人展示了纤维体积含量（FVF）对纤维缠绕容器强度的影响。研究发现，环向铺层中FVF的增加会提高最终的失效应变，直接关系到失效压力。

尽管传统纤维仍然是最受欢迎的选择，可持续和天然纤维也被用于复合材料压力容器中。这些纤维已被应用于低压天然气存储，最近也被研究用于高压应用。Bouvier等人研究了IV型COPVs的替代纤维选择。作者根据多个优化参数（如机械性能、成本、可回收性）提出了不同的纤维选项。E-玻璃/T700S碳纤维混合物成本最低，而玄武岩/回收T700S和亚麻/回收T700S混合物在分别用于700巴和350巴容器时在减少温室气体排放方面具有潜力。值得注意的是，全T700S容器仍然是实现最大机械性能的明显选择。

5.1.2. 基体材料

现有的COPVs/CPVs设计大多使用热固性基体，因为它们生产起来更容易且更可靠。对于表1中列出的使用热固性材料并提供材料信息的研究，除两项外，全部使用了环氧树脂基体。Johnson等人使用了一种纳米改性乙烯基酯树脂系统，与环氧树脂相比，由于其密度较低，表现出5-7%的重量减少。此外，Shao等人对环氧树脂和乙烯基酯COPVs进行了比较，发现乙烯基酯容器的爆破压力高出20%。作者还发现，乙烯基酯基体比环氧树脂更不易发生层内开裂。

基体材料对罐体的热机械性能有显著影响。尤其是在氢气应用中，在快速填充过程中可能会发生较大的温度变化，这会导致容器壁内的热机械应力。研究表明，复合材料在热载荷下比机械载荷下更容易失效，仅需少量循环即可引发热机械疲劳损伤。这种损伤即使在与室温的微小变化下也会削弱强度和刚度。通过最小化罐体的体积与表面积比，可减少热机械效应，这有利于小规模罐体。因此，在材料选择过程中，应考虑罐体的尺寸和工作循环。

热机械应力引起的退化对环氧基体尤为相关，因此也研究了热塑性材料。热塑性材料具有提高的断裂韧性、可重复成型、可焊接、可修复、易回收和较短的制造时间等优势，这些特点对V型罐的应用具有吸引力。无论是AFP还是纤维缠绕，都可以与热固性或热塑性材料一起使用。Boon等人最近对原位固结（AFP和FW）热塑性材料的应用进行了综述。

Schakel等人设计并测试了一种使用激光辅助带材缠绕（LATP）的热塑性压力容器。LATP工艺在制造过程中进行了特征化。研究发现，穹顶由于带材进料速度的高波动性和激光基底面积的变化而在制造中带来了挑战。由于机器人臂的位置不同，导致头架和尾架的每个穹顶受到的影响也不同，影响了进料速度。研究还发现进料速度与模拟值存在显著差异。

Villalonga等人构建了一种采用PA6衬里和树脂系统的纤维缠绕700巴热塑性容器。该容器进行了商业用途测试，但在已发表的文章中提供的详细信息有限。Höck等人设计并制造了两种用于航空航天应用的LATP压力容器。原型罐的直径为1.3米，极性开口半径为175毫米。作者没有提供罐体工作压力或设计储存物质的技术细节。O Brádaigh等人提出了用于空间应用的热塑性燃料罐设计。制备了模制的PEEK衬里，并提取了部分样本进行渗透测试。一些衬里样本也通过LATP进行包覆，并进行低温循环以测量裂纹增长。

在将热塑性材料应用于AFP时，重要的考虑因素是温度控制和分布。Zaami等人构建了一个数值模型，用于模拟LATP工艺中热塑性材料的温度。研究发现，罐体的规模和尺寸会影响温度。随着罐体半径的增加，衬里温度（对于IV型罐）降低，冷却时间增加，这在大规模生产场景中应予以考虑。较大直径的罐体在带材和基底中的压点温度也较高。显然，工艺参数应根据容器规模进行调整。

5.1.3. 固化

复合材料的固化周期会影响复合材料压力容器的最终性能。对于V型复合压力容器（CPVs）而言，固化周期对微裂纹的形成尤为重要。对于高温固化，存在一个无应力温度，通常接近固化温度。部件温度偏离该无应力温度（例如在固化过程中冷却时，或在特定温度下操作时）会引起热应力，从而导致微裂纹的形成，进而增加气体渗透性。这些残余应力存在是由于纤维和基体之间的热膨胀系数不匹配。Timmerman等人研究了固化温度对裂纹密度的影响。作者改变了在高压釜中固化的碳纤维/环氧树脂层压板的固化温度。将温度从70°C提高到180°C导致裂纹密度从10裂纹/cm²增加到35裂纹/cm²，这是因为较高的固化温度导致了更高的无应力温度。

复合材料压力容器有多种固化技术可供选择。对于使用纤维缠绕（FW）和自动纤维铺放（AFP）制成的热固性材料，高压釜和非高压釜（OoA）加工仍然很受欢迎。在降低无应力温度的背景下，OoA固化通常可以在比高压釜固化更低的温度下进行。OoA工艺是在没有高压釜外部压力的情况下进行固化，通常仅使用普通烤箱和真空袋。OoA固化常用于无法放入高压釜的大型罐体，这对处理火箭或飞机级别罐体的航空航天应用尤为重要。为此，CCTD项目采用了OoA工艺来固化两个演示罐。

为了进一步降低固化温度，可以使用树脂浸渍或树脂传递模塑工艺。在纤维缠绕中，湿法缠绕仍是最受欢迎且最具成本效益的技术。湿法缠绕涉及在缠绕到心轴上之前，先将干纤维通过树脂浴。这需要一个标准的固化过程，通常涉及较高的温度。然而，干法缠绕仍处于早期发展阶段，消除了树脂浴，取而代之的是加入了二次浸渍或模塑工艺。这些工艺可以在室温下进行，为降低残余应力引发的微裂纹提供了有趣的机会。干纤维铺放也适用于AFP，目前也处于早期发展阶段。Veldenz等人对干纤维AFP组件的材料选择和制造进行了详细研究。

结合文献综述中的研究结果，设计了一种用于AFP制造的V型复合压力容器（CPV），该设计将作为未来实验工作的基础，并解决本次综述中识别出的不足之处。新南威尔士大学悉尼分校的先进复合材料自动化制造ARC培训中心配备了自动动力学AFP机器人，具备热固性和热塑性材料的铺放能力以及协调的主轴轴，使得该中心在开发COPVs和CPVs方面具有优势。

此初始设计旨在解决本次综述中识别的与V型罐相关的制造挑战。该热固性罐体由两个半部分构成，每个半部分分别在可折叠工具上制造并固化后再粘合在一起。此设计形成了一个无衬里的复合材料心轴，其上可包覆额外的连续层。将罐体分为两半生产避免了使用可溶解的核心，并允许在大规模生产情境下同时制造每个半部分。独特之处在于，该罐体仅在一端使用极性接头，而另一端完全被包覆。这一特性提供了减重的优势，并且只能通过AFP实现，因为它需要纤维束的卸载和穿过穹顶中心的纤维路径，这在纤维缠绕中难以实现。沿圆柱区域采用可变角度纤维束，以调整刚度。为分析和优化罐体设计，开发了一种新型的有限元分析（FEA）过程，将AFP编程软件CGTech VERICUT VCP[186]与ANSYS链接，用于AFP铺层的半自动化分析。

将这一概念转化为现实的下一步工作包括定制可折叠工具的设计和原型罐的制造测试。首先，将使用VERICUT VCP对容器两半部分的纤维路径进行编程。然后，将在可折叠工具上制造原型容器的两个半部分，并按照图13所示将其粘合，同时嵌入光纤传感器进行结构健康监测。此步骤旨在验证工具设计和AFP纤维路径编程的有效性。将使用3D扫描技术将实际的部件几何形状和厚度与计算机模型进行比较。安装极性接头并完成容器粘合后，将进行静水压力测试，并使用嵌入的传感器记录应变数据，与有限元预测进行比较。完成初步工作后，将对容器进行包覆，纤维束将横跨容器的两个半部分，以增加加固和提高压力容量。包覆的纤维路径将采用引导纤维，以创建可变刚度的层压板，这不仅是为了纤维的连续性，还充分展示了AFP相较于纤维缠绕的优势。最后，将进行关于渗透率降低、更高效和精确的模拟以及改进工具设计的研究，以推动项目进展。

本次综述总结了当前IV型和V型复合材料压力容器的发展进展，并讨论了其发展过程中面临的关键挑战。此外，还讨论了将AFP作为替代传统纤维缠绕的制造工艺。纤维缠绕存在若干限制，降低了其灵活性，包括纤维需要连续、无法绕过凹面而不发生纤维桥接、以及由于摩擦限制而导致的非测地路径能力极小。AFP可以通过其选择性加固和可变角度纤维束（VAT）能力解决这些限制，有望进一步优化复合材料压力容器的设计。然而，目前AFP在压力容器中的应用主要局限于用于航天应用的火箭级罐体。要解决AFP头部较大物理尺寸对较小汽车和航空航天规模容器的干扰，还需进行进一步的研究。

V型压力容器目前在制造工艺和降低气体渗透性方面面临挑战。要生产无衬里的容器，必须移除内部铺层工具。水溶性芯材在这方面较为常见，但可能并不适用于所有设计且不可重复使用。实心的内部可折叠工具已在大规模罐体上得到验证，但尚未在较小的罐体上应用，这些罐体的极性开口尺寸较小且内部访问困难。其次，需要进一步了解和减少复合层压板的气体渗透。复合层压板中的基体微裂纹对其气体屏障性能有显著影响。虽然主要通过薄层材料和纳米改性来减少渗透的机制已在样本级别上得到验证，但仍需进行系统级别的评估。此外，AFP对渗透性的影响尚未得到广泛研究。

对COPV/CPV制造的商业标准进行了审查，突出显示了AFP生产和V型容器的标准覆盖缺口。随着这些技术的发展，标准应不断更新以保持与最新技术水平的相关性。引入V型技术和AFP制造对成本的影响也需要进一步研究，但在原型环境中，AFP相比纤维缠绕因减少材料使用而节约成本的效果已得到验证。最后，介绍了一种用于AFP生产的V型压力容器的新型设计。未来的工作将包括该概念的详细设计、材料级测试和AFP制造的原型，以应对现有的技术挑战。