aktualności

Warstwa wewnętrzna zbiornika ciśnieniowego z nawiniętym włóknem to przede wszystkim struktura wykładziny, której główną funkcją jest działanie jako bariera uszczelniająca, zapobiegająca wyciekom gazu lub cieczy pod wysokim ciśnieniem przechowywanej wewnątrz, a jednocześnie chroniąca zewnętrzną warstwę z nawiniętym włóknem. Warstwa ta nie ulega korozji pod wpływem przechowywanego wewnątrz materiału, a warstwa zewnętrzna jest warstwą z nawiniętego włókna wzmocnioną żywicą, służącą głównie do przenoszenia większości obciążeń ciśnieniowych wewnątrz zbiornika ciśnieniowego.

Struktura naczynia ciśnieniowego z nawijanego włóknami: Kompozytowe naczynia ciśnieniowe występują głównie w czterech formach konstrukcyjnych: cylindrycznej, sferycznej, pierścieniowej i prostokątnej. Naczynie okrągłe składa się z części cylindrycznej i dwóch dennic. Metalowe naczynia ciśnieniowe są produkowane w prostych kształtach, z nadmiarem rezerw wytrzymałości w kierunku osiowym. Pod wpływem ciśnienia wewnętrznego naprężenia wzdłużne i poprzeczne naczynia sferycznego są równe i stanowią połowę naprężenia obwodowego naczynia cylindrycznego. Materiały metalowe mają jednakową wytrzymałość we wszystkich kierunkach; dlatego sferyczne naczynia metalowe są projektowane z myślą o jednakowej wytrzymałości i mają minimalną masę dla danej objętości i ciśnienia. Stan naprężenia naczynia sferycznego jest idealny, a ścianka naczynia może być najcieńsza. Jednak ze względu na większą trudność w produkcji naczyń sferycznych, są one zazwyczaj wykorzystywane tylko w zastosowaniach specjalnych, takich jak statki kosmiczne. Pojemniki w kształcie pierścienia są rzadko spotykane w produkcji przemysłowej, ale ich konstrukcja jest nadal niezbędna w pewnych specyficznych sytuacjach. Na przykład statki kosmiczne wykorzystują tę specjalną konstrukcję, aby w pełni wykorzystać ograniczoną przestrzeń. Kontenery prostokątne są stosowane głównie w celu maksymalizacji wykorzystania przestrzeni, gdy jest ona ograniczona, na przykład w prostokątnych cysternach samochodowych i kolejowych. Kontenery te są zazwyczaj zbiornikami niskociśnieniowymi lub atmosferycznymi, a ich lżejsza masa jest preferowana.

Złożoność konstrukcji zbiorników ciśnieniowych z materiałów kompozytowych, nagłe zmiany w zaślepkach i ich grubości oraz zmienna grubość i kąt nachylenia zaślepek stwarzają wiele trudności w projektowaniu, analizie, obliczeniach i formowaniu. Czasami zbiorniki ciśnieniowe z materiałów kompozytowych wymagają nie tylko nawijania pod różnymi kątami i przy różnych prędkościach nawijania zaślepek, ale także stosowania różnych metod nawijania w zależności od konstrukcji. Jednocześnie należy uwzględnić wpływ czynników praktycznych, takich jak współczynnik tarcia. Dlatego tylko poprawny i rozsądny projekt konstrukcyjny może właściwie ukierunkować proces produkcji nawijania.materiał kompozytowyzbiorniki ciśnieniowe, dzięki czemu powstają lekkie, kompozytowe zbiorniki ciśnieniowe spełniające wymagania projektowe.

Materiały do ​​zbiorników ciśnieniowych z nawijaniem włókien

Warstwa nawinięta włóknem, jako główny element nośny, musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością, wysokim modułem sprężystości, niską gęstością, stabilnością termiczną, dobrą zwilżalnością żywicy, dobrą przetwarzalnością podczas nawijania oraz równomiernym zwartym wiązką włókien. Powszechnie stosowane materiały włókniste wzmacniające do lekkich kompozytowych zbiorników ciśnieniowych to włókno węglowe, włókno PBO, włókno aramidowe oraz włókno polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej.

Włókno węgloweto włóknisty materiał węglowy, którego głównym składnikiem jest węgiel. Powstaje w wyniku karbonizacji organicznych prekursorów włókien w wysokich temperaturach i jest wysokowydajnym materiałem włóknistym o zawartości węgla przekraczającej 95%. Włókno węglowe ma doskonałe właściwości, a badania nad nim rozpoczęły się ponad 100 lat temu. Jest to wysokowytrzymały, wysokomodułowy i niskogęstościowy materiał włóknisty o wysokiej wydajności, charakteryzujący się przede wszystkim następującymi cechami:

1. Niska gęstość i lekkość. Gęstość włókna węglowego wynosi 1,7–2 g/cm³, co odpowiada 1/4 gęstości stali i 1/2 gęstości stopu aluminium.

2. Wysoka wytrzymałość i wysoki moduł sprężystości: Jego wytrzymałość jest 4-5 razy wyższa niż stali, a moduł sprężystości 5-6 razy wyższy niż stopów aluminium, wykazując absolutny powrót sprężysty (Zhang Eryong i Sun Yan, 2020). Wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości włókna węglowego mogą osiągać odpowiednio 3500-6300 MPa i 230-700 GPa.

3. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej: Przewodność cieplna włókna węglowego maleje wraz ze wzrostem temperatury, co czyni je odpornym na szybkie chłodzenie i ogrzewanie. Nie pęka nawet po schłodzeniu z kilku tysięcy stopni Celsjusza do temperatury pokojowej, nie topi się ani nie mięknie w atmosferze nieutleniającej w temperaturze 3000°C; nie staje się kruche w temperaturach ciekłych.

4. Dobra odporność na korozję: Włókno węglowe jest obojętne na działanie kwasów i wytrzymuje silne kwasy, takie jak stężony kwas solny i kwas siarkowy. Ponadto kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się odpornością na promieniowanie, dobrą stabilnością chemiczną, zdolnością do pochłaniania toksycznych gazów i moderowania neutronów, co czyni je szeroko stosowanymi w lotnictwie, wojsku i wielu innych dziedzinach.

Aramid, włókno organiczne syntetyzowane z aromatycznych poliftalamidów, pojawiło się pod koniec lat 60. XX wieku. Jego gęstość jest niższa niż włókna węglowego. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, wysoką wydajnością, dobrą odpornością na uderzenia, dobrą stabilnością chemiczną i odpornością na ciepło, a jego cena jest o połowę niższa niż włókna węglowego.Włókna aramidowemają głównie następujące cechy:

1. Dobre właściwości mechaniczne. Włókno aramidowe to elastyczny polimer o wyższej wytrzymałości na rozciąganie niż zwykłe poliestry, bawełna i nylon. Charakteryzuje się większym wydłużeniem, miękkością w dotyku i dobrą przędzalnością, co pozwala na produkcję włókien o różnej grubości i długości.

2. Doskonała trudnopalność i odporność na ciepło. Aramid ma indeks graniczny tlenu powyżej 28, co oznacza, że ​​nie pali się po wyjęciu z płomienia. Charakteryzuje się dobrą stabilnością termiczną, może być stosowany w sposób ciągły w temperaturze 205°C i zachowuje wysoką wytrzymałość nawet w temperaturach powyżej 205°C. Jednocześnie włókna aramidowe charakteryzują się wysoką temperaturą rozkładu, zachowując wysoką wytrzymałość nawet w wysokich temperaturach, i zaczynają się karbonizować dopiero w temperaturach powyżej 370°C.

3. Stabilne właściwości chemiczne. Włókna aramidowe charakteryzują się doskonałą odpornością na większość chemikaliów, wytrzymują wysokie stężenia kwasów nieorganicznych i mają dobrą odporność na działanie alkaliów w temperaturze pokojowej.

4. Doskonałe właściwości mechaniczne. Posiada wyjątkowe właściwości mechaniczne, takie jak ultrawysoka wytrzymałość, wysoki moduł sprężystości i lekkość. Jego wytrzymałość jest 5-6 razy większa niż drutu stalowego, moduł sprężystości 2-3 razy większy niż drutu stalowego lub włókna szklanego, wytrzymałość dwukrotnie większa niż drutu stalowego, a jego waga stanowi zaledwie 1/5 ciężaru drutu stalowego. Włókna poliamidu aromatycznego od dawna są szeroko stosowanymi materiałami włóknistymi o wysokiej wydajności, nadającymi się przede wszystkim do zbiorników ciśnieniowych w przemyśle lotniczym i kosmicznym, wymagających rygorystycznych wymagań jakościowych i kształtowych.

Włókno PBO zostało opracowane w Stanach Zjednoczonych w latach 80. XX wieku jako materiał wzmacniający materiały kompozytowe dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Jest jednym z najbardziej obiecujących przedstawicieli rodziny poliamidów zawierających heterocykliczne związki aromatyczne i nazywane jest superwłóknem XXI wieku. Włókno PBO charakteryzuje się doskonałymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi; jego wytrzymałość, moduł sprężystości i odporność na ciepło należą do najlepszych spośród wszystkich włókien. Ponadto włókno PBO charakteryzuje się doskonałą odpornością na uderzenia, ścieranie i stabilnością wymiarową, a także jest lekkie i elastyczne, co czyni je idealnym materiałem tekstylnym. Włókno PBO charakteryzuje się następującymi głównymi cechami:

1. Doskonałe właściwości mechaniczne. Wysokiej jakości włókna PBO charakteryzują się wytrzymałością na poziomie 5,8 GPa i modułem sprężystości 180 GPa, co jest najwyższą wartością wśród istniejących włókien chemicznych.

2. Doskonała stabilność termiczna. Wytrzymuje temperatury do 600°C, z indeksem granicznym 68. Nie pali się ani nie kurczy w płomieniu, a jego odporność na ciepło i ognioodporność są wyższe niż w przypadku jakiegokolwiek innego włókna organicznego.

Jako ultrawydajne włókno XXI wieku, włókno PBO charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami fizycznymi, mechanicznymi i chemicznymi. Jego wytrzymałość i moduł sprężystości są dwukrotnie wyższe niż włókna aramidowego, a odporność termiczna i ognioodporność poliamidu metaaramidowego są porównywalne z właściwościami poliamidu metaaramidowego. Jego właściwości fizyczne i chemiczne znacznie przewyższają właściwości włókna aramidowego. Włókno PBO o średnicy 1 mm może unieść obiekt o masie do 450 kg, a jego wytrzymałość jest ponad dziesięciokrotnie większa niż włókna stalowego.

Włókno polietylenowe o bardzo dużej masie cząsteczkowej, znane również jako włókno polietylenowe o wysokiej wytrzymałości i wysokim module sprężystości, to włókno o najwyższej wytrzymałości właściwej i module sprężystości na świecie. Jest to włókno przędzone z polietylenu o masie cząsteczkowej od 1 miliona do 5 milionów. Włókno polietylenowe o ultrawysokiej masie cząsteczkowej charakteryzuje się przede wszystkim następującymi cechami:

1. Wysoka wytrzymałość właściwa i wysoki moduł sprężystości. Jego wytrzymałość właściwa jest ponad dziesięciokrotnie wyższa niż drutu stalowego o tym samym przekroju poprzecznym, a jego moduł sprężystości ustępuje jedynie specjalnemu włóknu węglowemu. Zazwyczaj jego masa cząsteczkowa przekracza 10, przy wytrzymałości na rozciąganie 3,5 GPa, module sprężystości 116 GPa i wydłużeniu 3,4%.

2. Niska gęstość. Jego gęstość wynosi zazwyczaj 0,97–0,98 g/cm³, co pozwala mu unosić się na powierzchni wody.

3. Niskie wydłużenie przy zerwaniu. Charakteryzuje się wysoką zdolnością pochłaniania energii, doskonałą odpornością na uderzenia i przecięcia, doskonałą odpornością na warunki atmosferyczne oraz promieniowanie ultrafioletowe, neutrony i promieniowanie gamma. Charakteryzuje się również wysoką absorpcją energii właściwej, niską stałą dielektryczną, wysoką przepuszczalnością fal elektromagnetycznych oraz odpornością na korozję chemiczną, a także dobrą odpornością na zużycie i długą żywotnością przy zginaniu.

Włókno polietylenowe posiada wiele doskonałych właściwości, wykazując znaczącą przewagę wwłókno o wysokiej wydajnościOd lin cumowniczych na morskich polach naftowych po wysokowydajne, lekkie materiały kompozytowe, wykazuje on ogromne zalety we współczesnej wojnie, a także w sektorach lotnictwa, kosmonautyki i gospodarki morskiej, odgrywając kluczową rolę w sprzęcie obronnym i innych obszarach.