nyheter

Det indre laget i en fiberviklet trykkbeholder er primært en foringsstruktur, hvis hovedfunksjon er å fungere som en tetningsbarriere for å forhindre lekkasje av høytrykksgassen eller -væsken som er lagret inni, samtidig som den beskytter det ytre fiberviklede laget. Dette laget korroderes ikke av det indre lagrede materialet, og det ytre laget er et harpiksarmert fiberviklet lag, hovedsakelig brukt til å bære mesteparten av trykkbelastningen inne i trykkbeholderen.

Strukturen til en fiberviklet trykkbeholder: Trykkbeholdere av komposittmateriale finnes hovedsakelig i fire strukturelle former: sylindriske, sfæriske, ringformede og rektangulære. En sirkulær beholder består av en sylindrisk seksjon og to hoder. Metalltrykkbeholdere produseres i enkle former, med overskytende styrkereserver i aksial retning. Under indre trykk er lengde- og breddespenningene til en sfærisk beholder like, og det er halvparten av omkretsspenningen til en sylindrisk beholder. Metallmaterialer har lik styrke i alle retninger; derfor er sfæriske metallbeholdere designet for lik styrke og har minimumsmassen for et gitt volum og trykk. Spenningstilstanden til en sfærisk beholder er ideell, og beholderveggen kan gjøres tynnest. På grunn av den større vanskeligheten med å produsere sfæriske beholdere, brukes de imidlertid vanligvis bare i spesielle applikasjoner som romfartøy. Ringformede beholdere er sjeldne i industriell produksjon, men strukturen deres er fortsatt nødvendig i visse spesifikke situasjoner. For eksempel bruker romfartøy denne spesielle strukturen for å utnytte begrenset plass fullt ut. Rektangulære beholdere brukes hovedsakelig for å maksimere plassutnyttelsen når plassen er begrenset, for eksempel rektangulære tankvogner for biler og jernbanetankvogner. Disse beholderne er vanligvis lavtrykksbeholdere eller beholdere med atmosfærisk trykk, og lettere vekt er å foretrekke.

Kompleksiteten i strukturen til trykkbeholdere av komposittmateriale, de plutselige endringene i endehettene og deres tykkelse, og den variable tykkelsen og vinkelen på endehettene, bringer mange vanskeligheter med seg ved design, analyse, beregning og støping. Noen ganger krever trykkbeholdere av komposittmateriale ikke bare vikling i forskjellige vinkler og hastighetsforhold i endehettene, men krever også forskjellige viklingsmetoder avhengig av strukturen. Samtidig må man ta hensyn til påvirkningen av praktiske faktorer som friksjonskoeffisienten. Derfor kan bare en korrekt og rimelig strukturell design styre viklingsproduksjonsprosessen på riktig måte.komposittmaterialetrykkbeholdere, og produserer dermed lette trykkbeholderprodukter av komposittmateriale som oppfyller designkrav.

Materialer for fiberviklede trykkbeholdere

Det fiberviklede laget, som den viktigste lastbærende komponenten, må ha høy styrke, høy modulus, lav tetthet, termisk stabilitet, god harpiksfuktbarhet, god viklingsprosessbarhet og jevn fiberbunttetthet. Vanlig brukte forsterkende fibermaterialer for lette kompositttrykkbeholdere inkluderer karbonfiber, PBO-fiber, aramidfiber og polyetylenfiber med ultrahøy molekylvekt.

Karbonfiberer et fiberholdig karbonmateriale der hovedkomponenten er karbon. Det dannes ved å karbonisere organiske fiberforløpere ved høye temperaturer og er et høytytende fibermateriale med et karboninnhold på over 95 %. Karbonfiber har utmerkede egenskaper, og forskningen på det startet for over 100 år siden. Det er et høytytende viklet fibermateriale med høy styrke, høy modulus og lav tetthet, hovedsakelig karakterisert av følgende:

1. Lav tetthet og lett vekt. Tettheten til karbonfiber er 1,7~2 g/cm³, som tilsvarer 1/4 av tettheten til stål og 1/2 av tettheten til aluminiumslegering.

2. Høy styrke og høy modul: Styrken er 4–5 ganger høyere enn stål, og elastisitetsmodulen er 5–6 ganger høyere enn aluminiumslegeringer, og viser absolutt elastisk gjenoppretting (Zhang Eryong og Sun Yan, 2020). Strekkfastheten og elastisitetsmodulen til karbonfiber kan nå henholdsvis 3500–6300 MPa og 230–700 GPa.

3. Lav varmeutvidelseskoeffisient: Varmeledningsevnen til karbonfiber avtar med økende temperatur, noe som gjør den motstandsdyktig mot rask avkjøling og oppvarming. Den vil ikke sprekke selv etter avkjøling fra flere tusen grader Celsius til romtemperatur, og den vil ikke smelte eller mykne i en ikke-oksiderende atmosfære ved 3000 ℃; den vil ikke bli sprø ved væsketemperaturer.

4. God korrosjonsbestandighet: Karbonfiber er inert mot syrer og tåler sterke syrer som konsentrert saltsyre og svovelsyre. Videre har karbonfiberkompositter også egenskaper som strålingsbestandighet, god kjemisk stabilitet, evnen til å absorbere giftige gasser og nøytronmoderering, noe som gjør dem bredt anvendelige innen luftfart, militæret og mange andre felt.

Aramid, en organisk fiber syntetisert fra aromatiske polyftalamider, dukket opp på slutten av 1960-tallet. Tettheten er lavere enn karbonfiber. Den har høy styrke, høyt utbytte, god slagfasthet, god kjemisk stabilitet og varmebestandighet, og prisen er bare halvparten så høy som karbonfiber.Aramidfibrehar hovedsakelig følgende egenskaper:

1. Gode mekaniske egenskaper. Aramidfiber er en fleksibel polymer med høyere strekkfasthet enn vanlige polyestere, bomull og nylon. Den har større forlengelse, en myk følelse og god spinnbarhet, noe som gjør at den kan lages til fibre med ulik finhet og lengde.

2. Utmerket flammehemmende og varmebestandig. Aramid har en oksygenindeks på over 28, slik at den ikke fortsetter å brenne etter at den er tatt ut av flammen. Den har god termisk stabilitet, kan brukes kontinuerlig ved 205 ℃ og opprettholder høy styrke selv ved temperaturer over 205 ℃. Samtidig har aramidfibre en høy nedbrytningstemperatur, opprettholder høy styrke selv ved høye temperaturer, og begynner først å karbonisere ved temperaturer over 370 ℃.

3. Stabile kjemiske egenskaper. Aramidfibre viser utmerket motstand mot de fleste kjemikalier, tåler de fleste høye konsentrasjoner av uorganiske syrer og har god alkaliresistens ved romtemperatur.

4. Utmerkede mekaniske egenskaper. Den har enestående mekaniske egenskaper som ultrahøy styrke, høy modulus og lett vekt. Styrken er 5–6 ganger høyere enn ståltråd, elastisitetsmodulen er 2–3 ganger høyere enn ståltråd eller glassfiber, seigheten er dobbelt så høy som ståltråd, og vekten er bare 1/5 av ståltråd. Aromatiske polyamidfibre har lenge vært mye brukte høyytelsesfibermaterialer, primært egnet for trykkbeholdere innen romfart og luftfart med strenge krav til kvalitet og form.

PBO-fiber ble utviklet i USA på 1980-tallet som et forsterkende materiale for komposittmaterialer utviklet for luftfartsindustrien. Det er et av de mest lovende medlemmene av polyamidfamilien som inneholder heterosykliske aromatiske forbindelser og er kjent som superfiberen i det 21. århundre. PBO-fiber har utmerkede fysiske og kjemiske egenskaper; dens styrke, elastisitetsmodul og varmebestandighet er blant de beste av alle fibre. Videre har PBO-fiber utmerket slagfasthet, slitestyrke og dimensjonsstabilitet, og er lett og fleksibel, noe som gjør den til et ideelt tekstilmateriale. PBO-fiber har følgende hovedegenskaper:

1. Utmerkede mekaniske egenskaper. PBO-fiberprodukter av høy kvalitet har en styrke på 5,8 GPa og en elastisitetsmodul på 180 GPa, den høyeste blant eksisterende kjemiske fibre.

2. Utmerket termisk stabilitet. Den tåler temperaturer opptil 600 ℃, med en grenseindeks på 68. Den verken brenner eller krymper i flammer, og varmebestandigheten og flammehemmingen er høyere enn noen annen organisk fiber.

Som en ultrahøyytelsesfiber for det 21. århundre har PBO-fiber enestående fysiske, mekaniske og kjemiske egenskaper. Dens styrke og elastisitetsmodul er dobbelt så stor som aramidfiber, og den har varmebestandighet og flammehemming som meta-aramidpolyamid. Dens fysiske og kjemiske egenskaper overgår fullstendig egenskapene til aramidfiber. En PBO-fiber med en diameter på 1 mm kan løfte en gjenstand som veier opptil 450 kg, og dens styrke er mer enn 10 ganger større enn stålfiber.

Polyetylenfiber med ultrahøy molekylvekt, også kjent som høyfast, høymodulær polyetylenfiber, er fiberen med høyest spesifikk styrke og spesifikk modul i verden. Det er en fiber spunnet av polyetylen med en molekylvekt på 1 million til 5 millioner. Ultrahøymolekylær polyetylenfiber har hovedsakelig følgende egenskaper:

1. Høy spesifikk styrke og høy spesifikk modul. Den spesifikke styrken er mer enn ti ganger høyere enn for ståltråd med samme tverrsnitt, og den spesifikke modulen er nest etter spesiell karbonfiber. Vanligvis er molekylvekten større enn 10, med en strekkfasthet på 3,5 GPa, en elastisitetsmodul på 116 GPa og en forlengelse på 3,4 %.

2. Lav tetthet. Tettheten er vanligvis 0,97~0,98 g/cm³, noe som gjør at den kan flyte på vann.

3. Lav bruddforlengelse. Den har sterk energiabsorpsjonskapasitet, utmerket slag- og kuttmotstand, utmerket værbestandighet og er motstandsdyktig mot ultrafiolette stråler, nøytroner og gammastråler. Den har også høy spesifikk energiabsorpsjon, lav dielektrisk konstant, høy elektromagnetisk bølgetransmittans og motstand mot kjemisk korrosjon, samt god slitestyrke og lang bøyelevetid.

Polyetylenfiber har mange overlegne egenskaper, noe som viser en betydelig fordel ihøyytelsesfibermarkedet. Fra fortøyningsliner i offshore oljefelt til høytytende lette komposittmaterialer, viser det enorme fordeler i moderne krigføring, så vel som i luftfart, romfart og maritim sektor, og spiller en avgjørende rolle i forsvarsutstyr og andre områder.