此次分享的技术报告成果来自隶属于美国能源部DOE国家核安全局的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）并得到美国能源部项目支持，项目名称为“用于压缩天然气燃料储存的基于增材制造技术的轻质、低成本碳纤维复合材料压力容器”，项目开始日期为2020年7月1日，结束日期2023年9月30日。
本文针对该技术报告背景、主要目标、实施方案以及主要结论进行了简要的介绍，如需报告全文，可以添加文稿最上部“技术报告”板块介绍内容紫色图片最右侧小编微信，限时免费获取。
碳纤维增强聚合物基复合材料是一种性能优异且兼具轻量化特性的变革性材料，它通过使用高长径比的碳纤维对聚合物基体进行增强，在较低的密度下超过了钢合金的强度。虽然具有上述优势，但由于当前制造方法的局限性，碳纤维复合材料在汽车、航空航天和能源应用中的广泛应用受到了一定的阻碍，其主要原因在于当前的一些技术（如手工铺叠、湿法缠绕）成本高昂，且严重限制了纤维的放置、取向和角度，从而进一步限制了碳纤维复合材料的最终性能。
目前的碳纤维复合材料制造成本高昂，外形尺寸有限，并使用了较为昂贵的连续碳纤维长丝。先进的增材制造（additive manufacturing，AM，又称3D打印）工艺，结合计算设计优化和树脂开发的新方法，提供了一种可以消除上述限制的新方案。因此，这种集成的增材制造方法有望帮助碳纤维复合材料发挥其全部潜力。
近年来，碳纤维复合材料的一个重要应用是来制造用于车载压缩天然气（compressed natural gas，CNG）储存的高性能复合材料压力容器，其制造受限于成本效益比。目前的CNG储存容器（III-V型）由承重细丝缠绕碳纤维复合材料制成，价格约为全金属I型容器的3.5倍。这种高昂的成本与传统纤维缠绕工艺的复杂性、劳动密集性以及制造中所需的大量昂贵的高抗拉碳纤维原材料有关。
基于上述背景，来自于美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）研究团队开创新地提出了一种基于碳纤维复合材料的增材制造技术和设计优化工具相结合来开发CNG储罐，通过化学和纳米材料改性实现了树脂/复合材料配方的改进。通过成功开发这项技术，LLNL试图展示以较低的成本制造先进CNG储存容器的能力，与最先进的现有V型储罐设计相比，性能没有降低。
基于项目上述背景，研究人员制定了针对下一代碳纤维复合材料的增材制造技术至关重要的三个目标：
1）、通过化学和纳米材料对树脂进行改性增强，从而产生一种比基准缠绕工艺用树脂具有更高机械性能的改进型树脂基体，并且可以在不损害性能的情况下降低碳纤维的含量。
2）、实现碳纤维复合材料内的成分分级，通过采用新的增材制造和设计方法，将连续碳纤维和短碳纤维结构结合在一个分级的、计算优化的储罐设计中，在最大限度地提高性能的同时，又能最大限度地减少质量和成本。
3）、制造并测试具有V型CNG储罐所有主要设计元素的异形混合碳纤维压力容器，在相关实验室规模环境中验证材料和设计概念，开发技术数据包，包括对所演示技术的成本效益评估。
围绕上述具体目标，该项目旨在开发一种先进的工艺，将增材制造技术与LLNL开创的设计优化工具相结合，用于碳纤维复合材料的打印，并通过化学和纳米材料改性实现树脂/复合材料配方的优化，以生产轻质低成本的CNG储罐。具体方案将制造出相当于V型压缩天然气容器设计的小尺寸原型复合材料压力罐，并展示潜在的成本效益优势。
项目的核心是使用灵活的增材制造和基于经计算的短碳纤维和连续碳纤维直写自由成型(Direct Ink Writing,DIW)设计，进一步结合由新兴纳米材料改性的高性能热固性树脂。研发团队的单级多材料增材制造技术，结合碳纤维体积分数的降低和经济上有优势短纤维比例的增加，共同推动了制造时间和整体成本的减少。重要的是，连续纤维和总纤维体积分数的减少将在不损害复合材料压力容器机械强度的情况下实现。
详细工艺方案为用对齐的纳米片改性的热固性树脂“油墨”，以利用有效的弯曲路径气体屏障效应，在制造过程中实时对增材制造原料进行成分分级以过渡到刚性、结构碳纤维填充的树脂。预计混合结构将达到与传统纤维缠绕复合材料储罐相当的压力等级（2900-3600 psi的工作范围，3倍的爆裂安全系数），估计总制造成本将降低30-50%。成本降低是基于所需碳纤维用量的降低和通过混合DIW制造方法实现的工艺简化。
2023年首次展示了基于针对压缩天然气罐储存应用优化设计的V型配置气瓶生产的完整增材制造工艺。设计和制造过程中展示出了如下重大创新：
使用纳米材料增强树脂提高了系统的机械性能；
使用独特的多区域设计，其中结构的不同区域执行不同的角色，但由共同的热固性基体进行了结构的统一
与传统方法相比，使用计算设计优化来提供具有增强承载性能的纤维图案
此外，抗紫外线树脂的应用使湿法长丝缠绕不受张力控制，从而获得传统工艺无法获得的风角和图案。在完成循环压力测试和压力失效试验后，可以评估该制造工艺在压缩天然气罐生产过程中的经济可行性。
