智能玻璃纤维增强高压氢罐的设计与分布式光纤传感分析：突破性堆叠序列与性能优化

本研究针对碳纤维供应紧张及高压氢储存需求，创新设计了一种采用15°/90°/30°/20°/90°/90°非对称堆叠序列的IV型玻璃纤维/环氧树脂复合氢罐（GFRP），工作压力10 MPa，爆破压力达35.7 MPa，远超同类E-glass容器。团队首次在复合压力容器中同步嵌入光纤布拉格光栅（FBG）与分布式光纤传感器（DFOS），实现全场应变监测，证实DFOS空间分辨率（0.65 mm）显著优于FBG（10 mm），可精准定位纤维错位和分层缺陷。微断层扫描揭示制造工艺优化方向，为氢能储存系统轻量化与安全性提供新范式。

　　

氢能作为零排放能源载体，其高压储存技术面临两大挑战：碳纤维原料短缺推高成本，而传统金属内衬又存在氢脆风险。玻璃纤维增强塑料（GFRP）虽成本低廉，但现有IV型储氢罐爆破压力普遍不足，且缺乏实时监测手段。更棘手的是，纤维缠绕工艺中堆叠序列对强度的调控机制尚未明确，理论计算与实验结果差异可达50%，亟需系统性实验验证。

针对上述问题，来自国内某研究机构团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，设计出采用创新堆叠序列（15°/90°/30°/20°/90°/90°）的IV型氢罐，通过爆破测试、微断层扫描（CMT）和双模光纤传感技术，首次实现FBG与DFOS在复合压力容器中的直接性能对比。关键技术包括：采用高密度聚乙烯（HDPE）内衬与Vetrotex P185-EC14 E-glass纤维缠绕；LUNA ODiSI 7100系统进行DFOS全场应变测绘（空间分辨率0.65 mm）；1172 SkyScan Micro-CT解析爆破后微观缺陷；同步采用FBG（20°螺旋层嵌入）验证应变传递一致性。

【3.1.1 爆破测试】
6 mm厚GFRP层氢罐爆破压力达35.7 MPa±0.15 MPa，较同类E-glass容器提升138%，体积变形率10.6%。破坏仅发生在圆柱段，验证了非对称堆叠序列的力学优势。

【3.1.2 微断层成像】
CMT显示首层纤维排列缺陷与局部脱粘，归因于缠绕初期树脂浸润不均。外层环向纤维非平行排列提示需降低绕线速度并增加张力。

【3.2 光纤传感】
DFOS在15 MPa下测得最大应变0.76%，FBG记录0.53%，差异9.9%源于FBG的10 mm平均效应。圆柱段应变分布均匀，而穹顶过渡区出现突变，反映几何形状导致的应力重分布。

该研究突破性地证实：非传统堆叠序列可显著提升GFRP氢罐承压能力，DFOS较FBG更适合全场健康监测。实际意义在于：①为碳纤维替代提供可行方案，缓解供应链压力；②0.65 mm级应变测绘精度为预测性维护树立新标准；③微断层缺陷图谱指导优化纤维缠绕工艺参数。值得注意的是，应变-压力线性关系（R²

0.99）表明现行标准对GFRP的设计余量可能过于保守，为修订规范提供实验依据。团队特别指出，DFOS在检测"肉眼不可见损伤"（Barely Visible Impact Damage）方面的潜力，未来或推动氢能基础设施智能监测标准建立。