《Journal of Energy Storage》：Stereolithography-fabricated type IV hydrogen storage tank liners: Multi-scale characterization of photopolymer resin and structural validation under internal pressure
编辑推荐：
哈米德·雷扎·瓦纳伊（Hamid Reza Vanaei）|阿尔伯特·卢卡斯（Albert Lucas）|穆罕默达利·拉斯塔克（Mohammadali Rastak）|杰罗姆·福蒂诺（Jér?me Fortineau）|阿巴斯·查尔赫奇（Abbas Tcharkhtchi）德文奇
哈米德·雷扎·瓦纳伊（Hamid Reza Vanaei）|阿尔伯特·卢卡斯（Albert Lucas）|穆罕默达利·拉斯塔克（Mohammadali Rastak）|杰罗姆·福蒂诺（Jér?me Fortineau）|阿巴斯·查尔赫奇（Abbas Tcharkhtchi）
德文奇高等教育机构（De Vinci Higher Education），德文奇研究中心（De Vinci Research Center），法国巴黎
摘要
提高IV型压缩氢储存容器的聚合物内衬的制造灵活性和性能是推动氢燃料电池车辆更广泛应用的关键挑战。本研究首次证明了立体光刻（SLA）技术作为旋转成型替代方案的技术可行性，用于使用聚丙烯酸基光敏树脂（Resin Black V4）制造IV型内衬部件。系统地研究了构建方向（0°、30°、45°、60°和90°）和后处理条件（室温下UV固化、60°C和80°C）对材料力学性能、热性能、粘弹性以及疲劳性能的影响。观察到明显的方向依赖性各向异性：从0°到90°，拉伸强度下降了13%，压缩模量下降了72%。UV + 60°C的后处理条件使拉伸强度达到74.5 ± 1.2 MPa，延展率为7.7%，并且在15 MPa的应力下疲劳寿命可达10^5次循环。尽管UV + 80°C处理后的静态强度较高（79.9 ± 1.6 MPa），但会导致材料脆化，显著缩短了疲劳寿命。动态力学分析显示，后处理后玻璃化转变温度提高了多达35°C。超声波测试证实弹性常数提高了约30%，衰减减少了30%，为SLA制造的部件提供了一种无损质量控制方法。Tsai-Hill和Tsai-Wu失效准则预测了方向依赖的强度变化，偏差低于6%。有限元分析结合对1毫米、3毫米和6毫米壁厚缩比原型容器的空气爆破实验验证了预测的失效结果与实验观察结果一致。UV + 60°C的后处理方法在强度、韧性和抗疲劳性方面达到了最佳平衡，证明了立体光刻是制造IV型氢储存内衬的可行工艺。
引言
交通和工业过程的脱碳推动了对于可靠、轻量化且成本效益高的压缩氢储存系统的空前需求。在350–700巴压力下储存气态氢仍然是氢燃料电池车辆和便携式电源系统广泛应用的主要技术和经济障碍。[1]，[2] IV型压力容器结合了全长度聚合物内衬和碳纤维增强复合材料外层，代表了当前车辆氢储存技术的最先进水平，提供了最佳的重量效率、抗疲劳性和耐腐蚀性组合。[3]，[4]，[5] 内衬同时具有结构和功能作用。它必须能够承受重复加压循环产生的拉伸应力，并作为防止氢气渗透通过容器壁的主要屏障。[6]，[7] 这些要求对内衬材料的机械强度、延展性、长期循环稳定性和气体不渗透性提出了严格且同时的要求，而在当前制造工艺允许的设计自由度内越来越难以满足这些要求。
IV型内衬的主要制造方法是旋转成型，该方法使用高密度聚乙烯（HDPE）或聚酰胺6（PA6）粉末生产无缝空心几何形状。虽然这种方法能够提供可接受的抗疲劳性和低渗透率，但其根本局限性阻碍了设计创新。模具制造周期长达8–12周，低产量时模具成本高昂，仅限于旋转对称的轮廓，且无法在不进行二次操作的情况下集成内部结构，这些因素共同限制了先进内衬架构的发展。[8]，[9] 自20世纪90年代以来，IV型内衬的制造方法基本保持不变，而在氢储存技术日益需要定制几何形状、缩短循环时间和集成传感功能的背景下，这已成为一个结构瓶颈。
增材制造（AM）为克服这些制造限制提供了途径，同时实现了与氢储存性能相关的新内衬设计策略。在ISO/ASTM 52900标准分类的槽式光聚合过程中，立体光刻（SLA）能够在无需模具的情况下制造出层厚小于50微米的复杂聚合物几何形状。[10] 对于氢储存应用而言，SLA能够制造出具有优化壁厚分布、集成凸起接口和非对称几何形状的内衬，而这些是旋转成型无法实现的。SLA中使用的光敏树脂是热固性材料，其交联密度可调，这直接影响了材料的机械性能和气体渗透阻力，这两个特性对于内衬的合格性至关重要。[11]，[12]，[13] 对于氢储存应用，这些能力意味着可以制造出具有优化壁厚分布、非对称几何形状和集成凸起接口的内衬，而这些都是旋转成型无法实现的。
尽管具有这些潜力，但迄今为止还没有研究系统地评估SLA作为IV型氢储存容器内衬的制造方法。现有的关于压力容器的相关增材制造研究主要集中在金属部件或纤维缠绕复合材料外层上。[14]，[15]，[16] 关于SLA打印聚合物在结构应用中的研究探讨了由于构建方向引起的机械各向异性以及后处理对静态强度的影响，但尚未在氢储存背景下研究疲劳寿命、粘弹性稳定性和基于方向依赖性载荷的失效准则验证。[17] 没有研究将SLA打印光敏树脂的全面材料表征与有限元分析（FEA）和缩比容器几何形状的实验爆破验证相结合。[18]
本研究首次证明了SLA作为IV型氢储存容器内衬制造方法的可行性，使用聚丙烯酸基树脂（Resin Black V4）替代旋转成型。研究有三个目标：首先，量化构建方向（0°、30°、45°、60°）和后处理条件（室温下UV固化、60°C和80°C）对材料力学性能、热性能、粘弹性以及疲劳性能的影响；其次，验证Tsai-Hill和Tsai-Wu失效准则作为预测SLA打印热固性材料方向依赖性强度的工具；最后，通过有限元分析（FEA）和实验空气爆破测试验证缩比容器几何形状的结构完整性。本研究的新颖之处不在于单独表征SLA树脂，而在于提供了将SLA制造的内衬工业化应用所需的完整材料到结构的验证框架。
章节摘录
IV型氢储存容器内衬的制造
目前用于氢储存的容器类型有五种，从全金属的I型到无内衬的全复合材料V型。表1总结了它们的材料、相对成本、主要优点和缺点。IV型容器结合了聚合物内衬和全碳纤维增强复合材料外层，在商业上提供了最佳的重量效率与抗疲劳性组合。
IV型容器中的聚合物内衬主要由...
材料
本研究使用了一种商用光敏树脂（Black Resin V4，Formlabs，德国柏林）作为基础材料。根据制造商的规格，该树脂主要由尿烷二甲基丙烯酸酯（UDMA）与甲基丙烯酸酯单体和寡聚物混合而成，光引发剂为双(2,4,6-三甲基苯甲酰)苯基膦氧化物。打印后使用纯度≥99.8%的绝对乙醇（VWR International）进行清洗，以去除样品表面的未固化树脂残留物。
结果与讨论
结果从树脂级别的表征逐步发展到样品级别的机械测试，再到容器级别的结构验证，这一结构将分子级别的固化化学过程与组件级别的性能联系起来，为评估SLA作为内衬制造方法提供了完整的材料到结构的证据。
结论与展望
本研究首次证明了立体光刻作为IV型氢储存容器内衬制造方法的可行性，提供了从树脂级别表征到组件级别结构测试的完整材料到结构的验证框架。
构建方向对材料性能有影响：从0°到90°，拉伸强度下降了13%，压缩模量下降了72%。UV + 60°C的后处理条件...
CRediT作者贡献声明
哈米德·雷扎·瓦纳伊（Hamid Reza Vanaei）：撰写——原始草稿，监督，方法论，研究，数据分析，概念化。阿尔伯特·卢卡斯（Albert Lucas）：撰写——审阅与编辑，验证，软件应用，研究。穆罕默达利·拉斯塔克（Mohammadali Rastak）：可视化，数据分析。杰罗姆·福蒂诺（Jér?me Fortineau）：撰写——审阅与编辑，方法论，数据管理。阿巴斯·查尔赫奇（Abbas Tcharkhtchi）：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源协调，项目管理，资金获取。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本研究的过程中，作者使用了Gemini工具辅助文献研究。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的批判性审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资金支持
本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助。
致谢
作者感谢德文奇研究中心（De Vinci Research Center）和Arts et Métiers技术学院提供表征设备。作者还要感谢保罗·费雷拉先生（Mr. Paulo Ferreira）在开展表征实验中的支持和帮助。
