聚芳醚酮复材-液氢管线
Herone GmbH的自动化技术结合了胶带编织和压模，生产出轻质化、单元化的TPC低温燃料管线，应用于液氢飞机推进系统和航天发射器等应用。
共固结一体成型的CF/LMPAEK法兰与管体形成连续热塑性材料系统，消除了传统低温线组件所需的金属硬件和粘合界面。 氢(H2气体在大气压下以-253°C（20.28 K）)的温度液化，仅比绝对零度高20度。此温度已低至足以使大多数结构材料变得脆性，而氢气作为最小的分子之一，其尺寸足以穿透材料中的任何缝隙并直接渗透通过。对于地面低温基础设施来说，这些挑战是可以应对的：不锈钢和真空被套管线路体积庞大且沉重，但当重量不再是限制时，它们是可以接受的。 如果把同样的要求应用到商用飞机上，情况就完全不同了。液氢(LH2)燃料电池动力的客机必须布线LH2从油箱到燃料电池，通过足够轻量且可行的燃油分配系统，在25年的使用寿命内能经受超过1万次热循环，每次飞行都会将所有温度加热回环境温度，然后开始下一次低温浸泡。美国弗吉尼亚州汉普顿NASA的研究显示，如果没有足够的绝缘，50%-70%的LH2飞行中可以沸腾，这一数值使H2如果燃油系统从一开始设计不当，航空业就无法商业化。 传统的金属低温管线通过波纹管、O型圈、螺栓法兰和机械密封来应对这种热循环产生的热收缩;这些元件也会使系统中潜在泄漏点的数量成倍。在接地应用中，泄漏是不受欢迎的，例如H2，会在空气中迅速上升并扩散。在一架载有低温、高度易燃燃料的有人飞机中，每一个接头都是设计者和监管者都必须考虑的责任。传统的金属工艺，借鉴自工业低温技术，根本没有考虑到这一限制。 TPC的基础低温设计 总部位于德累斯顿的 Herone GmbH（德国）在过去几年里，从基本原理重新设计了低温流体管线，特别是针对航空航天作业环境，参与了德国政府资助的 LuFo 项目 WAKOS 和 ZEDI。 该公司成立于2018年，是德累斯顿工业大学轻量化工程与高分子技术研究所（ILK）的分拆企业，其技术基于联合创始人克里斯蒂安·加特豪斯（Christian Garthaus）博士和丹尼尔·巴夫斯（Daniel Barfuss）博士在ILK博士研究中经过十年的热塑性复合材料（TPC）中空型材研究。该基础催生了Herone专利的连续吹塑和注塑成型工艺，应用于单元化热塑性传动轴和齿轮示范机。公司专注于碳纤维增强低熔点聚芳醚酮（CF/LMPAEK;LMPAEK来自英国克利夫利斯的Victrex）以及聚醚醚酮（PEEK）复合中空型材，形成了一种材料系统，比不锈钢减轻50-60%的重量，并具备一套物理性能使其非常适合低温H2的需求应用。这一物质重点是公司LH2的基础燃油管系统设计。
一款为航天应用生产的全尺寸CF/LMPAEK低温线组件展示了Herone在飞行硬件尺度上的非热压罐（OOA）编织和固结工艺。
该基础已经生产了飞行硬件。她与德国不来梅的阿丽亚娜集团合作，参与欧洲航天局（ESA）未来运载火箭准备计划（FLPP），最近完成了阿丽亚娜6号运载火箭首个全尺寸CF/LMPAEK低温线系统组件，采用近净形、胶带预制、非热压罐（OOA）组装体，集成热塑性配件与管路一体化，设计用于承载运载火箭的压力负载和低温环境。该航天应用首要要求最小质量，采用单壁管线设计，短暂的任务时间和外部通风可控制残留泄漏风险。
相比之下，航空业要求更难实现的目标：双层隔壁系统、真空绝缘、二次防护和泄漏率，足以在数千次飞行周期内安全。阿丽亚娜6号组件展示了制造工艺的全规模运作;航空项目则是工程需求真正未知的地方。
热塑性与热固性基体的选择 要理解Herone的方法，有必要考虑复合材料在反复低温循环过程中会发生什么。环氧基热固性复合材料在这种条件下表现类似玻璃：在正常使用中刚性且具备能力，但在接近低温温度（低于-150°C）时，材料中潜藏的脆性会变成结构性。在热循环中，基体微裂纹可以启动并穿过层压材料。每个裂纹都是一个潜在的H2泄漏路径，不是因为层压板结构失效，而是因为H2分子直径足够小，可以穿过许多结构评估认为可以忽略的裂缝。 PAEK系列热塑性塑料的表现不同。“可以把它们想象成柔性聚合物瓶，而不是玻璃瓶。它们在极低温时保持了热固性所失去的延展性，”herone联合创始人兼管理合伙人丹尼尔·巴夫斯（Daniel Barfuss）解释道。“当温度极低时，几乎所有材料都会变得更脆弱，我们需要材料足够柔韧，以防止细微裂缝导致泄漏。这就是为什么热塑性塑料在这里很有价值。” PEEK在-196°C（77 K）—液氮（LN2）的沸点—断裂时保持约3-4%的伸长）以及用于低温材料表征的标准温度，代表了-253°C LH2的保守代理使用条件—相比之下，玻璃纤维/环氧系统约为1.5%。标准低温测试温度77 K被用于材料表征，因为该低温剂在任何实验室都很容易获得，使其成为评估材料行为的实用且可重复的初步基准，即使实际使用温度（如LH2）也适用应用温度更低，约为-253°C。 PAEK聚合物所提供的保留柔韧性，是介于在热疲劳下抗微裂纹的层压板与不抗微裂纹的层压板之间的区别。TPC总体上还表现出显著更高的模式I层隙韧性—即将两块结合复合材料像书本一样撬开所需的单位面积能量—约是热固性复合材料的五倍。因此，裂纹不仅启动速度较慢，而且一旦裂纹传播，还需要更多的能量才能传播。 低温热循环后热固性CFRP（左）和CF/LMPAEK层压板（右）的显微照片比较分析显示热塑性基体对微裂纹的抵抗力。
渗透是一个独立但相关的问题。即使没有裂开，H2在浓度梯度下通过复合层压板扩散。CF/LMPAEK层压板的氢含量约为其10倍在低温温度下，以及液氢-253°C时，渗透率优于环氧系统服务，即通过复合墙体本身的渗透变得微乎其微。临界窗口是在地面作业、加油和预热阶段处于环境温度下，此时仍需加层屏障层。 与其将衬垫作为次级后处理步骤，Herone在预制过程中直接在编织层之间集成金属薄膜渗透屏障。热塑性功能化的障壁层成为管壁的一部分，经过共加工，保持复合材料截面的均匀性，避免了单独铺设衬里形成的粘结界面。 “当你使用高品质热塑性塑料并获得良好的成型表面时，你会得到富含树脂的外层，且没有裸露的纤维，”巴弗斯说。“那个表面密封。你不需要金属，只需要树脂。这是人们不期待热塑性塑料能做到的事情之一。” 消除接头 他们选择的材料解决了关键的微裂纹和渗透问题，但更深层的工程问题是结构性的：如何在没有波纹管、O型圈和螺栓法兰的情况下建造低温飞机燃油管线，而这些部件使传统金属组件的接头重量如此沉重？ 集成的CF/LMPAEK法兰与管体在单冲压循环中合并，减少接头数量和系统质量，同时在整个装配过程中保持热塑性材料的均匀性 答案在于PAEK热塑性复合材料在制造层面所具备而热固性复合材料不具备的能力。由于TPC可在初始固结后重新加热和重塑，因此可直接在复合管体上通过单一集成制造工序进行注塑成型或共固结功能性部件（法兰、管件、套环、密封面）。短纤维增强PEEK与预热至约200°C的PAEK预制件在380°C下共固化，从而在聚合物界面实现分子内聚键合，并在宏观尺度形成几何互锁。这产生了Herone所称的“成型锁定接头”—一种无需粘合剂、紧固件或弹性密封件即可实现比单纯内聚键合高44%扭矩承载能力的连接。法兰并非附着于管体，而是管体本身，由同一材料体系制成并通过分子键合形成一体。巴弗斯说：“共合并是一种技术，可以消除后期处理接合操作和额外的连接规格，比如敲击。”“该工艺本质上集成于复合材料本身的基本固结规范中。因此，共固结的剪切设计值是传统金属复合胶粘方法的三到四倍。” 对于航空LH2来说应用中，Herone正在开发双层结构：复合内管承载LH2，通过真空绝缘环形间隙与复合外部容器隔开，该环形间隙由3D打印聚合物垫片维持。真空间隙提供热绝缘，这对于减少长达5小时飞行的蒸腾至关重要，同时在内管发生泄漏时作为二次隔离。跨空间监测能力能在故障蔓延到外墙之前提供早期检测。 通过设计两壁均采用相同的CF/LMPAEK材料系统，并分别编织独立层压，Herone独立调节每根管的热膨胀系数（CTE-coefficient of thermal expansion）。内管上几乎为零的轴向CTE层压在冷却时抑制轴向收缩。内外壁匹配的CTE设计消除了传统管路通过风箱产生的差异运动。取消波纹管可以同时减少接头数量、系统重量和潜在漏点库存。 编织到功能组装 公司的制造流程始于自动编织胶带。Victrex AE250 以 LMPAEK 基材形式供应，PAEK 兼容浆料，比未上浆纤维提供 20% 的纤维基体附着力，由机器人系统编织在芯棒上，控制送料速率、编织角度和层次顺序。编织角度可从±15°到70°，并支持纯0°层积分，使层压架构能够针对不同应用进行调校—包括用于CTE管理的特定多轴角和用于内部压力下箍应力承受能力的高螺旋角。对于弯曲截面，芯轴几何形状使管材通过直径超过两倍的弯道而不发生纤维皱褶，这是TPC胶带结构相较于需单独合并的干纤维编织的直接优势。 机器人磁带编织沉积以受控编织角度完全浸渍CF/LMPAEK磁带，形成网状空心预成型体，无需中间加工步骤即可通过气囊辅助巩固。 编织预制件完成后，包括在此阶段指定层压板之间定位的金属屏障膜，组件将转移至加热压机。通过管孔插入的内部充气气囊从预制件内部对工具表面施加径向压实压力，同时压机组件加热至加工温度：用于LMPAEK聚合物碳纤维预浸料叠层的305-340°C，用于PEEK的385°C。这种非热压罐（OOA）压合工艺可在约15分钟内使空隙含量低于2%，而热固性预浸料的热压罐固化则需要240分钟。 公司位于德累斯顿的工厂生产投资超过400万欧元，目标每年生产2万个零件，这一吞吐量仅在15分钟一次的整合周期中才有意义。金属屏障膜在固结前置于编织层之间，并在同一冲压周期内热熔融于成品墙体，无需单独的工艺步骤。 在现场组装方面，Herone还开发了基于PEEK的电熔槽系统：嵌入热塑性套筒中的电阻加热元件在通电时加热接头至熔合温度，现场焊接两条线段无需额外工具或外部热源。 “巴夫斯表示：‘我们开发了一种类似 plumbing 的连接方法。您只需将接头带到现场，连接一个简单的电气接口，其余工作由热量完成。无需工具，无需外部压力；连接会在原位熔合。” 这一概念带来了既有管道行业接合技术的简单性，使管道截面能够可靠地熔接到航空航天级复合低温管线。 为航空航天项目中CF/LMPAEK提供论据 对经长期低温热循环处理的CF/LMPAEK层压板试样的显微照片分析表明，在平板试样和管状结构中均未检测到可测量的微裂纹。这与同等条件下热固性复合材料的测试结果形成了关键区别。对循环和非循环试样的渗透测量证实，集成屏障的层压板满足航空液氢服务要求。该材料系统已获得更广泛航空航天项目在PAEK类材料认证下的合格数据，且其制造商持有AS/EN9100制造认证。 CF/LMPAEK管壁的横截面显微照片显示，金属渗透屏障层在压实过程中热熔合于层压层之间，且无粘合界面。 与航空航天级不锈钢相比，CF/LMPAEK带编织管组件预计可减轻50-60%的线路系统重量。集成CF/LMPAEK法兰带来的额外节省，使得独立的金属法兰硬件更易，因为法兰约占金属线总质量的三分之一。 该技术目前处于航空双层配置的技术准备等级(TRL)3，目标是在未来一年内提升TRL 6。目前尚无专门针对LH2的认证标准客机上的管道;EASA CS-25规范正在调整中，FAA 2024年12月发布的氢燃料飞机路线图设定了2028年和2032年的开发目标。尽管如此，herone基于CF/LMPAEK的管状组件的失效行为与这些框架的监管意图高度契合。与可能在过压下突然断裂的金属管不同，TPC管首先在聚合物基体中断裂，导致通过间隙监测系统检测到的缓慢局部泄漏，且在任何结构事件发生前即可检测到。这种失效模式的可预测性既是CF/LMPAEK的工程论据，也是安全论证。 该设计的热塑性基质为可持续性提供了圆满解决方案。由于LMPAEK可进行再熔炼，生产废料及报废部件能够被重新加工成切碎的热塑性复合材料原料，从而避免了热固性复合材料废料通常被送往填埋场的命运。对于一个开始将循环经济责任视为真正的设计约束而非单纯的合规操作的行业而言，这种可再生性具有至关重要的意义。 “我们所做不仅仅是用复合材料替代金属，”巴弗斯指出。“我们正在构建一个航空领域内的系统基础设施，该基础设施不仅能够符合标准、进行维护，最终还能实现回收，并且以满足行业最终需求的方式进行生产。” 编后感言 江苏丹阳亨博复材公司有自主研制的高温度、高强热塑树脂。该公司最有条件研制液氢管线。
原文，《Braided CF/LMPAEK tube system reduces liquid hydrogen fuel line weight by 50-60%》 2026.4.20 杨超凡
