截止目前，設計用于高壓下儲存液體和氣體的壓力容器和儲罐的發展經歷了四個不同的階段：全金屬儲罐（I型）、復合材料纏繞金屬儲罐（II型）、碳纖維增強塑料（CFRP）纏繞金屬內膽儲罐（III型）和碳纖維增強塑料（CFRP）纏繞塑料內膽儲罐（IV型）。

 

　　而壓力容器的第五個階段——全復合材料的無內膽儲罐（V型），是指不含任何內膽、完全采用復合材料加工而成的壓力容器，長期以來V型壓力容器一直被認為是壓力容器行業產品和技術的制高點。

 

　　2、CTD公司研發出V型高壓儲氣瓶

 

　　2020年年初，位于美國科羅拉多州拉斐特的復合材料技術開發公司（Composites Technology Development Inc，CTD）與美國空軍研究實驗室、德克薩斯大學合作，成功地設計、測試并制造了第一臺商用、全CFRP無襯里的壓力容器，并將其安裝在FASTRAC 1衛星上，1.9L儲罐的直徑約為6英寸（152毫米），直徑為7至8英寸（長度為178至203毫米），重量僅為0.44磅（0.2千克）。

 

　　

CTD公司研發的高壓儲氣瓶

 

　　復合材料中的碳纖維采用了美國東麗復合材料公司（Toray Composite Materials America，Inc.）提供的T700級碳纖維進行細絲纏繞，并采用CTD專有的KIBOKO增韌環氧樹脂潤濕。它的工作壓力為200 psi，極限壓力為1,000 psi，破裂壓力為2,000至2500 psi。該罐用于存儲氬氣，作為衛星微放電等離子推進器的組成部分。

 

　　與傳統的IV型瓶相比，CTD公司的全CFRP無里襯儲氣瓶重量將輕15％至20％，這對于航空航天工業中具有顯著的性能優勢，因為該行業對有效載荷重量極其敏感。但是，輕量化并非V型壓力容器的唯一優勢，CTD公司研究表明，V型壓力容器全面投入生產后，其制造成本將降低，最明顯的原因是它消除了內襯材料和襯套制造成本。

 

　　CTD公司對V型壓力容器大批量應用的期望在于三個主要技術領域的創新：材料、設計和工具。使用單一材料制造儲罐意味著需要開發一種層壓系統，該系統不僅可以在壓力下提供足夠的結構強度，而且至關重要的是還要形成阻隔層，防止氣體、燃料和其他物質的滲透。公司介紹說其KIBOKO增韌樹脂系列（主要基于環氧樹脂）是CTD成功開發出V型壓力容器的關鍵。

 

　　當對儲罐加壓時，壓力會在所有方向施加到容器壁上，因此樹脂必須拉伸以吸收應變，并且還必須通過與纖維粘合來提供結構支撐。該公司測試結果顯示，與常規工業材料相比，KIBOKO樹脂在室溫和低溫環境中較高的應變水平下會形成微裂紋。盡管用于FASTRAC衛星和無人機的儲罐都是濕式纏繞的，但是相同的樹脂也可以與真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）工藝兼容。在某些應用中，只要可以確保獲得合理的纖維體積分數，VARTM可能更合適的制造低孔隙率層壓材料的方法。

 

　　通過關鍵參數設計如纖維角度、纖維體積和層壓板厚度等可以創建“漸變復合材料”的材料，來滿足結構和阻隔性能要求。盡管層壓板在儲罐的所有區域中既充當結構，又充當屏障，但工程師可以調整設計功能以改變功能。

 

　　此外，沒有襯里的容器需要工具襯底，該襯底必須在容器固化之后被移除。CTD已與供應商合作開發了幾種新穎的模具技術，用于成型形狀受限制的復合材料。比如FASTRAC衛星和無人機所用的V型儲罐都是通過將細絲纏繞在非常規芯棒上而制成的，該芯棒在后處理步驟中會化學溶解。

 

　　3、ICT公司研發出V型高壓低溫儲罐

 

　　2020年4月，位于美國俄克拉荷馬州塔爾薩市的Infinite Composites Technologies（ICT）公司宣布，其成功研制出球形、無襯里、全復合材料低溫冷凍儲罐，該儲罐主要是一種用于將低溫推進劑儲存在火箭動力運載火箭上的壓力容器。

 

　　用于太空旅行的運載火箭需要儲存大量燃料，典型的火箭推進劑（如氧氣、氫氣和氮氣）可以在室溫下以氣體形式存儲，但是由于氣體的密度相對較低，因此為太空發射而存儲足夠的氣體推進劑將需要非常大的儲罐，這增加了航天器的重量并限制了飛行器的重量。但是在理想情況下，這些推進劑可以更高密度的液體形式存儲，從而可以使用較小的容器來存儲它們，但是許多常見的推進劑必須冷卻至超冷溫度，通常指溫度低于-150°C時會以液體形式存在。

 

　　用于低溫燃料如液氮、液氧儲存的全復合材料設計往往會引起層壓板中微裂紋等難題。當復合材料層壓板面臨極端溫度時，每層之間的熱膨脹系數差異會導致破裂和泄漏。許多樹脂系統在低溫下也會變脆，從而加劇了這一問題。

 

　　ICT公司于2018年向美國國家航空航天局（NASA）推出了低溫冷凍箱的概念，后來開始了一項快速開發項目——復合式低溫冷凍箱，用于月球著陸器演示飛行器。ICT公司將V型高壓冷凍儲罐研制的核心技術歸結為材料，ICT公司的CryoSphere儲罐采用了日本東麗公司T800碳纖維和環氧樹脂制成，并通過纏繞絲線制成，在室溫下固化，然后在ICT塔爾薩工廠的工業烘箱中進行后固化。

 

 

　　

　　無里襯碳纖維/環氧樹脂儲罐CryoSphere是在俄克拉荷馬州ICT工廠通過纏繞和工業烘箱固化而制造的；碳纖維選用了日本東麗T800級碳纖維。

 

　　為了解決微裂紋難題，ICT開始對經過化學增韌的專有環氧樹脂基體中不同濃度的幾種類型添加劑進行迭代測試。在此過程中，研究小組發現了兩種添加劑的組合，當再次對儲罐進行測試時，它們可以使設計滿足熱要求，其中之一添加劑是石墨烯。

 

　　

 

　　2019年秋天，應用石墨烯材料公司宣布，其石墨烯技術已被整合到兩個ICT樹脂系統中，用于低溫壓力容器，這些系統正考慮用于NASA航天飛行任務。

 

　　在低溫下，樹脂會變脆并開始斷裂，隨著向纖維施加壓力，它們開始彼此滑動并破壞它們之間的化學鍵。石墨烯薄片充當纖維層之間的機械增強物，減少了移動和斷裂的可能性。此外，基體還摻入了其他專有添加劑，使層壓板在低溫下更具延展性，并在層壓板中產生了更多的絕緣性能。

 

　　ICT公司于2020年2月將其中5個CryoSphere儲罐交付給了NASA，最初計劃于2020年8月向ISS發射，但推遲到11月，預計在CryoSpheres運送到ISS后，將其放置在氣象站的外部，并對其進行了大約六個月的研究，并安裝了輻射傳感器，在繞地球旋轉并直接暴露于太陽的情況下，測試材料在暴露于熱和輻射時的耐久性。