ştiri

Stratul interior al unui vas sub presiune înfășurat în fibre este în principal o structură de căptușeală, a cărei funcție principală este de a acționa ca o barieră de etanșare pentru a preveni scurgerea gazului sau lichidului de înaltă presiune stocat în interior, protejând în același timp stratul exterior înfășurat în fibre. Acest strat nu este corodat de materialul stocat intern, iar stratul exterior este un strat înfășurat în fibre armat cu rășină, utilizat în principal pentru a suporta cea mai mare parte a sarcinii de presiune din interiorul vasului sub presiune.

Structura unui vas sub presiune cu fibre înfășurate: Vasele sub presiune din materiale compozite se prezintă în principal în patru forme structurale: cilindrice, sferice, inelare și dreptunghiulare. Un vas circular este alcătuit dintr-o secțiune cilindrică și două chiulase. Vasele sub presiune metalice sunt fabricate în forme simple, cu rezerve de rezistență excesivă în direcția axială. Sub presiune internă, solicitările longitudinale și latitudinale ale unui vas sferic sunt egale, iar aceasta este jumătate din solicitarea circumferențială a unui vas cilindric. Materialele metalice au rezistență egală în toate direcțiile; prin urmare, vasele metalice sferice sunt proiectate pentru o rezistență egală și au masa minimă pentru un volum și o presiune date. Starea de solicitare a unui vas sferic este ideală, iar peretele vasului poate fi realizat cât mai subțire. Cu toate acestea, din cauza dificultății mai mari de fabricare a vaselor sferice, acestea sunt în general utilizate doar în aplicații speciale, cum ar fi navele spațiale. Containerele în formă de inel sunt rare în producția industrială, dar structura lor este încă necesară în anumite situații specifice. De exemplu, navele spațiale folosesc această structură specială pentru a utiliza la maximum spațiul limitat. Containerele dreptunghiulare sunt utilizate în principal pentru a maximiza utilizarea spațiului atunci când spațiul este limitat, cum ar fi vagoanele cisternă dreptunghiulare pentru automobile și vagoanele cisternă pentru calea ferată. Aceste recipiente sunt în general recipiente de joasă presiune sau presiune atmosferică, și se preferă o greutate mai mică.

Complexitatea structurii vaselor sub presiune din material compozit, schimbările bruște ale capacelor terminale și ale grosimii acestora, precum și grosimea și unghiul variabile ale capacelor terminale aduc numeroase dificultăți în proiectare, analiză, calcul și turnare. Uneori, vasele sub presiune din material compozit nu numai că necesită înfășurare la unghiuri și rapoarte de viteză diferite în capacele terminale, dar necesită și metode de înfășurare diferite, în funcție de structură. Simultan, trebuie luată în considerare influența factorilor practici, cum ar fi coeficientul de frecare. Prin urmare, doar un proiect structural corect și rezonabil poate ghida în mod corespunzător procesul de producție a înfășurării.material compozitrecipiente sub presiune, producând astfel produse pentru recipiente sub presiune din materiale compozite ușoare care îndeplinesc cerințele de proiectare.

Materiale pentru recipiente sub presiune cu fibre înfășurate

Stratul înfășurat în fibre, ca principală componentă portantă, trebuie să posede rezistență ridicată, modul de elasticitate ridicat, densitate scăzută, stabilitate termică, umectabilitate bună a rășinii, procesabilitate bună la înfășurare și etanșeitate uniformă a fasciculului de fibre. Materialele fibroase de ranforsare utilizate în mod obișnuit pentru recipientele sub presiune compozite ușoare includ fibra de carbon, fibra PBO, fibra de aramidă și fibra de polietilenă cu greutate moleculară ultra-mare.

Fibră de carboneste un material fibros de carbon a cărui componentă principală este carbonul. Se formează prin carbonizarea precursorilor de fibre organice la temperaturi ridicate și este un material fibros de înaltă performanță, cu un conținut de carbon care depășește 95%. Fibra de carbon are proprietăți excelente, iar cercetările asupra acesteia au început în urmă cu peste 100 de ani. Este un material fibros înfășurat de înaltă performanță, cu rezistență ridicată, modul de elasticitate ridicat și densitate mică, caracterizat în principal prin următoarele:

1. Densitate redusă și greutate redusă. Densitatea fibrei de carbon este de 1,7~2 g/cm³, echivalentă cu 1/4 din densitatea oțelului și 1/2 din densitatea aliajului de aluminiu.

2. Rezistență ridicată și modul de elasticitate ridicat: Rezistența sa este de 4-5 ori mai mare decât cea a oțelului, iar modulul de elasticitate este de 5-6 ori mai mare decât cel al aliajelor de aluminiu, prezentând o recuperare elastică absolută (Zhang Eryong și Sun Yan, 2020). Rezistența la tracțiune și modulul de elasticitate al fibrei de carbon pot ajunge la 3500-6300 MPa, respectiv 230-700 GPa.

3. Coeficient scăzut de dilatare termică: Conductivitatea termică a fibrei de carbon scade odată cu creșterea temperaturii, ceea ce o face rezistentă la răcirea și încălzirea rapidă. Nu va crăpa nici după răcirea de la câteva mii de grade Celsius la temperatura camerei și nu se va topi sau înmuia într-o atmosferă neoxidantă la 3000 ℃; nu va deveni fragilă la temperatura lichidului.

4. Rezistență bună la coroziune: Fibra de carbon este inertă la acizi și poate rezista la acizi puternici, cum ar fi acidul clorhidric concentrat și acidul sulfuric. În plus, compozitele din fibră de carbon posedă și caracteristici precum rezistența la radiații, stabilitate chimică bună, capacitatea de a absorbi gaze toxice și moderarea neutronilor, ceea ce le face aplicabile pe scară largă în domeniul aerospațial, militar și în multe alte domenii.

Aramida, o fibră organică sintetizată din poliftalamide aromatice, a apărut la sfârșitul anilor 1960. Densitatea sa este mai mică decât cea a fibrei de carbon. Are rezistență ridicată, randament ridicat, rezistență bună la impact, stabilitate chimică bună și rezistență la căldură, iar prețul său este doar la jumătate din cel al fibrei de carbon.Fibre de aramidăau în principal următoarele caracteristici:

1. Proprietăți mecanice bune. Fibra de aramidă este un polimer flexibil cu o rezistență la tracțiune mai mare decât poliesterii obișnuiți, bumbacul și nailonul. Are o alungire mai mare, o senzație moale la atingere și o bună filabilitate, permițând transformarea ei în fibre de diferite finețe și lungimi.

2. Rezistență excelentă la flacără și la căldură. Aramida are un indice limită de oxigen mai mare de 28, deci nu continuă să ardă după ce este scoasă din flacără. Are o bună stabilitate termică, poate fi utilizată continuu la 205 ℃ și își menține o rezistență ridicată chiar și la temperaturi peste 205 ℃. În același timp, fibrele de aramidă au o temperatură ridicată de descompunere, menținând o rezistență ridicată chiar și la temperaturi ridicate și încep să se carbonizeze abia la temperaturi peste 370 ℃.

3. Proprietăți chimice stabile. Fibrele de aramidă prezintă o rezistență excelentă la majoritatea substanțelor chimice, pot rezista la majoritatea concentrațiilor mari de acizi anorganici și au o bună rezistență la alcali la temperatura camerei.

4. Proprietăți mecanice excelente. Posedă proprietăți mecanice remarcabile, cum ar fi rezistență ultra-înaltă, modul ridicat de elasticitate și greutate redusă. Rezistența sa este de 5-6 ori mai mare decât cea a sârmei de oțel, modulul de elasticitate este de 2-3 ori mai mare decât cel al sârmei de oțel sau al fibrei de sticlă, tenacitatea sa este de două ori mai mare decât cea a sârmei de oțel, iar greutatea sa este de doar 1/5 din cea a sârmei de oțel. Fibrele aromatice de poliamidă sunt de mult timp utilizate pe scară largă ca materiale fibroase de înaltă performanță, potrivite în principal pentru recipiente sub presiune din industria aerospațială și aviatică, cu cerințe stricte de calitate și formă.

Fibra PBO a fost dezvoltată în Statele Unite în anii 1980 ca material de ranforsare pentru materialele compozite dezvoltate pentru industria aerospațială. Este unul dintre cei mai promițători membri ai familiei poliamidelor, care conține compuși aromatici heterociclici, și este cunoscută drept superfibra secolului XXI. Fibra PBO posedă proprietăți fizice și chimice excelente; rezistența, modulul de elasticitate și rezistența la căldură sunt printre cele mai bune dintre toate fibrele. În plus, fibra PBO are o rezistență excelentă la impact, rezistență la abraziune și stabilitate dimensională, fiind ușoară și flexibilă, ceea ce o face un material textil ideal. Fibra PBO are următoarele caracteristici principale:

1. Proprietăți mecanice excelente. Produsele din fibre PBO de înaltă calitate au o rezistență de 5,8 GPa și un modul de elasticitate de 180 GPa, cel mai mare dintre fibrele chimice existente.

2. Stabilitate termică excelentă. Poate rezista la temperaturi de până la 600℃, cu un indice limită de 68. Nu arde și nu se contractă în flacără, iar rezistența la căldură și ignifugarea sa sunt mai mari decât a oricărei alte fibre organice.

Fiind o fibră de ultra-înaltă performanță a secolului XXI, fibra PBO posedă proprietăți fizice, mecanice și chimice remarcabile. Rezistența și modulul său de elasticitate sunt de două ori mai mari decât cele ale fibrei aramide, iar rezistența la căldură și ignifugarea poliamidei meta-aramide sunt similare. Proprietățile sale fizice și chimice le depășesc complet pe cele ale fibrei aramide. O fibră PBO cu diametrul de 1 mm poate ridica un obiect cu o greutate de până la 450 kg, iar rezistența sa este de peste 10 ori mai mare decât cea a fibrei de oțel.

Fibră de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă, cunoscută și sub denumirea de fibră de polietilenă de înaltă rezistență și cu modul de elasticitate ridicat, este fibra cu cea mai mare rezistență specifică și modul de elasticitate specific din lume. Este o fibră filată din polietilenă cu o greutate moleculară de 1 milion până la 5 milioane. Fibra de polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă are în principal următoarele caracteristici:

1. Rezistență specifică ridicată și modul specific ridicat. Rezistența sa specifică este de peste zece ori mai mare decât cea a sârmei de oțel cu aceeași secțiune transversală, iar modulul său specific este al doilea după fibra specială de carbon. De obicei, greutatea sa moleculară este mai mare de 10, cu o rezistență la tracțiune de 3,5 GPa, un modul de elasticitate de 116 GPa și o alungire de 3,4%.

2. Densitate redusă. Densitatea sa este în general de 0,97~0,98 g/cm³, ceea ce îi permite să plutească pe apă.

3. Alungire la rupere redusă. Are o capacitate mare de absorbție a energiei, rezistență excelentă la impact și tăiere, rezistență excelentă la intemperii și este rezistent la razele ultraviolete, neutroni și raze gamma. De asemenea, posedă o absorbție specifică ridicată a energiei, o constantă dielectrică scăzută, o transmitanță ridicată a undelor electromagnetice și rezistență la coroziune chimică, precum și o bună rezistență la uzură și o durată lungă de viață la încovoiere.

Fibra de polietilenă posedă multe proprietăți superioare, demonstrând un avantaj semnificativ înfibră de înaltă performanțăDe la liniile de acostare din câmpurile petroliere offshore până la materialele compozite ușoare de înaltă performanță, acestea prezintă avantaje extraordinare în războiul modern, precum și în sectoarele aviației, aerospațialului și maritim, jucând un rol crucial în echipamentele defensive și în alte domenii.