在船舶能源存储技术快速发展的背景下，轻量化复合材料高压储罐凭借其高强度、低密度及耐腐蚀特性，成为液氢等低温燃料储存系统的核心载体。然而，复合材料层间力学性能弱化与液氢超低温环境下的材料相容性，仍是制约其工程应用的关键瓶颈。本文从层间增强设计与液氢兼容性验证两个维度，探讨技术突破路径。
层间增强设计：多尺度协同优化策略
复合材料层间失效通常源于富树脂区强度不足及纤维-树脂界面结合薄弱。针对这一问题，研究团队提出多尺度协同增强方案：在微观层面，通过碳纳米颗粒表面改性技术提升纤维-树脂界面结合能。实验数据显示，经功能化处理的碳纳米颗粒可使层间剪切强度提升28%，同时降低裂纹扩展速率40%。在介观尺度，采用自动铺放-热压罐复合成型工艺，通过原位固化消除层间孔隙。该工艺将层间富树脂区厚度控制在50μm以内，较传统真空袋成型工艺减少65%。在宏观结构层面，引入仿生蜂巢夹芯设计，将储罐壁厚降低15%的同时，使抗冲击性能提升30%。
具体到船用储罐设计，需重点考虑海洋环境振动载荷的影响。某型储罐通过在层间嵌入Z向增强纤维束，形成三维编织结构，使层间断裂韧性达到1200J/m²，满足船舶航行过程中频繁启停产生的疲劳载荷要求。此外，针对储罐封头区域应力集中问题，采用变角度铺层技术，将纤维取向从0°/90°交替铺层调整为±45°螺旋铺层，使该区域强度提升25%。
液氢兼容性验证：从材料相容性到系统安全性
液氢储存对材料提出了极端要求：-253℃超低温环境会引发材料脆化、氢渗透及热应力集中。为验证复合材料储罐的液氢兼容性，研究团队构建了多层级测试体系：在材料层面，开发了高压氢渗透-力学性能耦合测试装置，可同步监测材料在70MPa氢压下的氢扩散系数与拉伸强度变化。实验表明，经特殊树脂改性的碳纤维复合材料，在液氢环境中浸泡1000小时后，氢渗透速率降低至0.1cm³/(m²·day)，拉伸强度保持率达92%。
在部件层面，采用全尺寸储罐模拟测试平台，验证隔热系统与结构承载的协同性能。某型储罐通过真空多层绝热技术，将液氢日蒸发率控制在0.15%/d以内，同时通过有限元分析优化支撑结构，使储罐在满载状态下承受3g加速度冲击时，最大应力低于材料许用值的75%。在系统层面，建立了液氢加注-储存-排放全流程安全评估模型，重点考察热冲击、压力波动等工况下的密封性能。测试结果显示，采用金属-复合材料过渡接头设计的储罐，在经历50次液氢加注循环后，密封面泄漏率仍低于1×10⁻⁹Pa·m³/s。
工程化应用挑战与突破方向
尽管技术取得显著进展，但船用轻量化复合材料高压储罐的商业化仍面临多重挑战：首先，液氢环境下复合材料的长期性能演化规律尚不明确，需建立百万小时级加速老化试验方法；其次，复合材料焊接与检测技术尚未完全成熟，现有超声波检测对层间缺陷的识别率不足80%；最后，国际海事组织（IMO）尚未出台针对复合材料压力容器的专项规范，制约了船舶入级认证进程。
针对上述问题，未来研究可聚焦三个方向：一是开发自修复树脂体系，通过微胶囊包裹修复剂实现裂纹的自主愈合；二是构建数字孪生模型，实时监测储罐运行状态并预测剩余寿命；三是推动国际标准互认，建立涵盖材料、设计、制造、检验的全链条技术规范。随着材料科学与数字技术的深度融合，船用轻量化复合材料高压储罐有望在2030年前实现规模化应用，为氢能船舶发展提供关键技术支撑。
