用于液化气体的储存罐、包括这种储存罐的航天器或航空器、以及纤维金属层合件的制作方法

本发明涉及用于液化气体的储存罐、包括这种储存罐以及基于氢的推进系统的航空器或航天器、以及纤维金属层合件。

背景技术：

1、尽管本发明可以用于各种应用，但是下面将针对意图安装在氢动力航空器中的用于液态氢的储存罐以更详细且示例性的方式描述本发明以及潜在问题，但本发明不限于该作用。

2、为了避免例如由常规煤油动力航空器产生的二氧化碳的排放，建议在航空器中使用基于氢的推进器，从而使用航空器上的储存在储存罐中的氢。

3、因此，希望能够以可靠且轻量的方式来储存液化气体、比如氢，特别是在航空器上更是如此。

4、还描述了由混合复合材料形成的纤维金属层合件，该纤维金属层合件包括金属与塑料材料、比如聚合物的交替层。这种材料的优点在于其比单片固体金属具有更小的重量和更好的疲劳特性。示例性的纤维金属层合件包括铝合金层以及芳族聚酰胺纤维增强的或玻璃纤维增强的聚合物层。

5、纤维金属层合件是适用于航空用途的有弹性的且可靠的材料。例如，被称为glare的材料用于航空器的制造，例如用作空中客车a380的机身材料，具有高强度性能、增加的损伤容限以及显著的重量减轻。glare包括铝合金层以及玻璃纤维增强的环氧树脂的居间层。

6、此外，在de 10 2011 006 032 a1和wo 2012/127 038 a2中描述了一种纤维金属层合件，该纤维金属层合件包括由铝镁(almg)合金或铝镁钪(almgsc)合金制成的金属层以及嵌入有增强纤维例如玻璃纤维、碳纤维或柴隆(zylon)纤维的热塑性合成材料的层。

7、us 10,456,985 b2中描述了一种对含有热塑性塑料以及金属层的组成部分进行摩擦搅拌焊接的方法。

8、在ep 3 461 620 a1中描述了一种具有电绝缘涂层的碳纤维。

9、在wo 2020/229 627 a1中描述了包括电绝缘碳纤维的纤维金属层合件。

10、下述文献中描述了一种在用于电池应用的单个碳纤维周围沉积涂层的方法：leijonmarck,s.等人，“solid polymer electrolyte-coated carbonfibres forstructural and novel micro batteries(用于结构化新型微型电池的固体聚合物电解质涂覆碳纤维)”，composites science and technology(复合材料科学与技术)，2013年第89卷，第149页至157页。

技术实现思路

1、鉴于此背景，通过本发明要解决的问题是提供一种能够安全地且可靠地储存液化气体、比方说例如氢的储存罐，并且该储存罐是轻质的。此外，通过本发明要解决的问题是提供一种对应地改进的航空器或航天器。另外，通过本发明要解决的问题是提供一种进一步改进的材料，该材料特别地适合于作为用于液化气体的储存罐的材料。

2、这些问题通过本发明的储存罐、以及/或者本发明的航空器或航天器、以及/或者本发明的纤维金属层合件、以及/或者本文中描述的纤维金属层合件来解决。

3、因此，提出了一种用于液化气体、特别地用于液态氢的储存罐，该储存罐包括容器，该容器具有由纤维金属层合件形成的容器壁，其中，纤维金属层合件包括金属层以及一个或更多个合成层，金属层由铝合金形成，所述一个或更多个合成层具有嵌入热塑性基体中的增强纤维。

4、此外，提出了一种航空器或航天器，该航空器或航天器包括这种用于液化气体的储存罐以及构造成至少从储存罐供应氢的基于氢的推进系统。

5、更进一步地，本发明提供了第一纤维金属层合件，该第一纤维金属层合件包括金属层以及一个或更多个合成层，金属层由铝合金形成，所述一个或更多个合成层具有嵌入热塑性基体中的增强纤维，其中，该纤维金属层合件还包括碳纳米管和/或石墨烯颗粒。

6、更进一步地，本发明提供了第二纤维金属层合件，该第二纤维金属层合件包括金属层以及一个或更多个合成层，金属层由铝合金、特别地由铝镁钪合金形成，所述一个或更多个合成层具有嵌入热塑性基体中的增强纤维，其中，增强纤维包括纤维、特别地包括碳纤维，其在嵌入热塑性基体中之前涂覆有电绝缘涂层。

7、本发明的基本思想是将在用于液化气体、比如氢的储存罐的容器壁中使用的轻质金属合金和热塑性材料的优点结合。因此，本发明提出的储存罐的容器比纯金属压力容器质量轻得多，该纯金属压力容器具有由单片固体金属材料形成的壁。例如，在航空器中安装轻质储存罐在能够承载的货物和/或乘客数量方面是有利的。

8、此外，用于液化气体例如氢的储存罐的填充与排空循环预计将在箱的使用寿命内重复多次，特别地在储存罐安装在航空器中以用于对推进系统进行供应的情况下更是如此。特别地，在使用了结构上结合在航空器中的储存罐的情况下，容器壁也承受起飞载荷和着陆载荷。在本发明的储存罐中，纤维金属层合件为容器壁提供了改进的疲劳特性、更大的冗余度以及改进的损伤容限。

9、此外，由本发明提出的储存罐的容器壁有利地对气体、特别地对氢气具有低渗透性。低渗透性是以热塑性基体与居间金属层相结合的复杂微观结构为基础的。

10、附加地，在本发明的储存罐中，使用纤维金属层合件还具有防止积聚显著的静电荷的优点和/或经由导电金属层而快速释放静电的优点。

11、另外，本发明的储存罐中使用的纤维金属层合件的优点可以在于，在层合材料组合件的热膨胀或收缩方面，例如考虑到储存罐处于内部压力下并在低温下填充液体，可以提供附加的机械冗余。例如，金属层和增强纤维的热膨胀系数的结合可以配置成提供或有助于这种冗余。另外，纤维金属层合件特别地可以在预定条件下耐受热膨胀和收缩，而不会由于热应力而使各个层分离。

12、本发明的另一思想是，在纤维金属层合件中，碳纳米管和/或石墨烯颗粒可以有助于进一步减少气体、例如氢通过层合件的渗透，以及/或者可以附加地有助于静电的受控、连续释放。

13、本发明的更进一步的思想是，在包括具有热塑性基体的至少一个合成层的纤维金属层合件中，增强纤维上的电绝缘涂层可以有利地用于防止电偶腐蚀，特别是在增强纤维包括碳纤维的情况下更是如此。

14、本发明的有利的改进方案和改善方案包含在参照附图的说明中。

15、特别地，储存罐适于储存低温燃料。这种储存罐、特别是适于储存低温氢的储存罐对于在没有例如二氧化碳的不希望的排放的情况下实现航空器的推进可能是有利的。

16、在改进方案中，金属层可以由铝镁钪合金或铝-镁-钪合金形成。特别地，金属层可以由例如en 573-3/4标准中定义的5xxx系列的铝合金形成。

17、金属层可以优选地由可焊接的铝合金形成。例如，铝镁钪合金非常适合焊接。由于热塑性合成材料能够通过将热塑性合成材料加热至例如高于其玻璃化转变温度和/或熔点的温度而软化并且能够通过冷却而重新固化，并且由于该循环可以在必要或需要的情况下重复进行，因而热塑性塑料也非常适合通过加热进行焊接。这样的纤维金属层合件可以在由其制成的部件的制造期间以有利的方式进行处理。此外，焊接有助于减轻接头处的重量。特别地，在热塑性层和金属合金层两者都能够焊接的情况下，可以形成对接接缝，这有助于减轻重量。

18、在改进方案中，形成金属层的铝镁钪合金可以是铝合金5024或铝合金5028。这些铝合金特别地在高达约400℃的温度表现出最佳的材料性能。另外，这些铝合金在例如疲劳特性的性能方面是有利的，并且关于温度表现出在热处理过程与高性能热塑性塑料相容的材料性能。

19、根据另一改进方案，热塑性基体由聚苯硫醚、或聚酰亚胺、或聚芳基醚酮中的至少一者形成。例如，热塑性基体可以由聚醚醚酮、聚醚酮酮和聚醚酮中的至少一者形成。这些热塑性材料能够通过加热进行焊接并且也能够重新焊接，并且由于其具有长分子链的复杂微观结构，这些热塑性材料例如与热固性材料相比还表现出降低的渗透性。

20、特别地，增强纤维可以包括玻璃纤维和/或碳纤维。玻璃纤维具有电绝缘性能并且因此可以相对容易地与金属组合使用，而碳纤维可以提供附加的机械强度。

21、根据改进方案，增强纤维包括碳纤维，该碳纤维在嵌入热塑性基体中之前涂覆有电绝缘涂层，其中，该涂层特别地是例如通过电化学过程施加在碳纤维上并将碳纤维的表面覆盖的环氧树脂。这种涂层有助于防止接触腐蚀。

22、在改进方案中，纤维金属层合件还包括碳纳米管和/或石墨烯颗粒，其中，碳纳米管和/或石墨烯颗粒分散在合成层中的至少一个合成层或其子层的热塑性基体中，或者分散在合成层中的一个合成层或其子层在纤维金属层合件的厚度方向上的一部分中的热塑性基体中，或者以层的形式设置在合成层中的至少一个合成层或其子层与相邻层或相邻子层之间。相邻层可以是合成层，或者相邻子层可以是合成子层。经分散的碳纳米管和/或石墨烯颗粒使纤维金属层合件对气体例如氢的渗透性进一步降低。此外，经分散的碳纳米管和/或石墨烯颗粒还可以进一步改善纤维金属层合件的在防止静电积聚方面的性能。

23、在另一个有利的改进方案中，纤维金属层合件可以基本上不含碳纳米管和/或石墨烯颗粒。这种纤维金属层合件也可以用于形成有用的、轻质的、可靠的、安全的储存罐，该储存罐对液化气体例如液态氢具有低渗透性。

24、根据有利的改进方案，容器壁包括至少一个焊缝，特别地包括对接焊缝，其中，纤维金属层合件的两个部分在焊缝处连结。这种焊缝有助于减轻重量。特别地，对接焊缝避免了材料交叠，这进一步减轻了储存罐的重量。

25、根据有利的改善方案，由其形成容器壁的纤维金属层合件的最内层是由铝合金形成的金属层，该最内层形成了容器壁的内侧部。在这种改善方案中，可以容易地清洁储存罐的容器的内部，从而便于维护。此外，可以延迟或防止在储存罐内部于容器壁的内侧部上积聚沉积物。此外，容器壁的金属内侧部进一步提高了静电的释放。

26、此外，特别地，纤维金属层合件的最外层可以是由铝合金形成的金属层，该最外层形成容器壁的外侧部。

27、本发明提出的第一纤维金属层合件和第二纤维金属层合件中的每一者都可以用来形成用于液化气体的储存罐的容器壁，而且还可以用于其他目的和应用。

28、在本发明提出的第一纤维金属层合件的改进方案中，碳纳米管和/或石墨烯颗粒可以分散在合成层中的至少一个合成层或其子层的热塑性基体中，或者可以分散在合成层中的一个合成层或其子层在纤维金属层合件的厚度方向上的一部分中的热塑性基体中，或者可以以层的形式设置在合成层中的至少一个合成层或其子层与相邻层或相邻子层之间。相邻层可以是合成层。相邻子层可以是合成子层。

29、根据第一纤维金属层合件或第二纤维金属层合件的进一步改进方案，金属层可以由铝镁钪合金形成，以及/或者热塑性基体可以由聚苯硫醚、或聚酰亚胺、或聚芳基醚酮中的至少一者形成。例如，热塑性基体可以由聚醚醚酮、或聚醚酮酮、或聚醚酮形成。铝镁钪合金可以例如是铝合金5024或铝合金5028。关于这些铝合金的优点，参考上面给出的解释。

30、在第一纤维金属层合件的进一步改进方案中，增强纤维可以包括玻璃纤维和/或碳纤维，以及/或者增强纤维可以在嵌入热塑性基体之前涂覆有电绝缘涂层。电绝缘涂层特别地可以设置在用作增强纤维的碳纤维上。可参考上面与纤维类型和涂层的优点有关的内容。

31、本发明的改善方案、改进方案和增强方案可以任意地彼此组合，只要这是有意义的。此外，本发明的其他可能的增强方案、改进方案和实施方案包括已经在上面描述或者将要在下面关于实施方式的详细说明进行描述的本发明的特征的组合，即使在没有明确提及这种组合的情况下也是如此。