趙珏 / 台灣區複合材料工業同業公會
在面對全球碳零排放之環保訴求下，本文從新興氫能經濟的優勢特性及其於儲氫應用觀點衍生到高性能複合材料在第五代(Ⅴ型)壓力容器的現況與發展，全文由高壓儲氫瓶於氫燃料電池及氫能運輸車輛的市場統計及全球重要國家之相關策略措施為出發點，專業客觀剖析碳纖複合材料所涉及的市場需求與產量，進而研判未來邁向第五代(Ⅴ型)壓力容器之趨勢，並報導現階段全球先進國家實際投入的研製情況與趨勢走向。文章重點主要針對第五代(Ⅴ型)高壓容器特性、結構、工藝、市場、研發及未來發展趨勢提出剖析，尤著墨於國外在此領域的研發與應用，包括各種特殊選材、工藝優化、性能需求、測試指標、產品種類、規格及任務等，此外，在太空領域所面臨的環境，以及在功能條件與需求方面必須克服的難題也提出討論。
【內文精選】
第五代(Ⅴ型)壓力容器
該款容器不含內膽、是完全採用複合材料加工製成的壓力容器，長期以來一直被認為是壓力容器行業產品與技術的制高點。
所儲存的高壓與低溫的氣態及液態流體包括氫氣、氦氣、氙氣、氪氣、甲烷、過氧化物與一氧化二氮等。由於新太空市場正處於爆式的發展，從傳統火箭/運載火箭的冷凍燃料及氧化劑之儲罐擴展到衛星與月球著陸器的推進劑儲罐，以及太空燃料庫，空間站與棲息地的加壓罐，這些應用都必須依靠Ⅴ型的高壓容器進行儲存。相關的製品必須通過多項測試，包括高達993 bar的爆裂壓力、816˚C的篝火測試、高達-207˚C的低溫測試、模擬軌道級火箭200次發射與著陸的氣動測試，以及模擬20年服役的壓力/溫度循環。
Ⅴ型高壓器瓶生產工藝
1. 纖維纏繞(Filament Winding; FW)
目前纏繞工藝仍是高壓氣瓶的主流生產技術，其創新研發項目不斷推出，聚焦於自動化、安全性、低成本、高效率等目標。例如德國Roth Composite提供量化的快速生產設備，以機器人結合新數位技術，能有效提升產速達10~15%，最近交付一套訂製的自動化FW系統專用於三軸氫罐之製造，具有快速更換絲束之功能，並確保纏繞高精度。
3. 3D打印
3D列印技術被稱為是新一代工業革命，主要是透過層層的堆層來製造實物，以三維噴頭將硬化固材噴出，藉由X、Y平面繪出，Z軸進行堆積，完成3D立體造型。採用之材料主要有絲狀(PLA、ABS、PA等)、液狀(樹脂類)及粉狀(金屬、熱塑料、陶瓷、補強粉料)；相關技術主要為FDM(熱融)、LCD(光固化)與SLS(雷射粉末燒結)，已廣泛成熟應用在工業、交通、醫療等領域。
以3D列印技術打造Ⅴ型儲瓶也是一種選項，但尚無實際的應用案例，主要原因在於無法發揮3D列印的優勢，且其結構強度與氣密性仍待改進提升。美國Infinite公司指出，連續纖維3D列印(圖十一)是未來有利的Ⅴ型瓶製造技術，以該工藝列印出芯軸，可作為碳纖維結構的一部分，且容易達到太空組件自動化之製程操作，並獲得其他工藝無法達到的產品內部結構特徵。
圖十一、連續纖維3D打印示意圖
國外研製情況
1. Composites Technology DevelopmentInc; CTD
該公司位於美國Colorado州Lafayette，於1988年成立，專業推出複合材料領域全方位解決方案，近年來投入全複材Ⅴ型壓力容器之研發，在全球占有領先的地位。所開發用於低溫航太與運輸系統之相關技術正為美國太空總署與能源部提供新太空推進系統及汽車行業燃料電池等應用。目前以其新型抗微裂紋技術製造之無襯裡碳纖複材Ⅴ型壓力容器(直徑5~10米)正用於重型運載火箭與在軌航天器，其他應用包括了無人飛行器、太空發射、衛星重新定位及低/零重力等領域。
3. National Composites Centre; NCC
NCC位於英國Bristol，在法國航空航天製造商Thales Alenia Space的合作下，獲得SpaceTank項目的支持，成功製造碳纖全複合材料無襯裡(Ⅴ型)儲罐，用於儲存運載火箭與衛星用推進劑，與目前使的傳統金屬相比，重量可減輕30%。
有關纖維纏繞軟體設計了螺旋纏繞與環向纏繞的組合，將24層材料沉積到5.5 mm厚度。經測試缺陷與厚度變化後，在100˚C下進行壓力釜固化，隨後使用超聲波C掃描與熱成像無損檢測(NDT)重覆檢查，有關模具技術與係AeroConsultant合作，採用Aqua水溶性芯材開發了鑄造工藝，如圖廿六，該芯材分兩部分鑄造，壁厚30 mm，內有加強環，可承受自動化複合材料鋪層過程中預期的扭轉載荷與高壓釜固化過程中施加的壓力 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖廿六、Ⅴ型瓶可溶性芯模
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。