новини

Внутрішній шар резервуара під тиском з волоконно-обмотаного матеріалу – це, перш за все, футерова структура, основна функція якої полягає в тому, щоб діяти як герметичний бар'єр для запобігання витоку газу або рідини під високим тиском, що зберігається всередині, а також захищати зовнішній шар з волоконно-обмотаного матеріалу. Цей шар не піддається корозії під впливом внутрішнього матеріалу, а зовнішній шар – це шар з волоконно-обмотаного матеріалу, армований смолою, який в основному використовується для витримування більшої частини навантаження тиску всередині резервуара під тиском.

Структура резервуара під тиском з волокнистої намотки: Резервуари під тиском з композитних матеріалів в основному бувають чотирьох структурних форм: циліндричних, сферичних, кільцевих та прямокутних. Круглий резервуар складається з циліндричної секції та двох днищ. Металеві резервуари під тиском виготовляються простих форм з надлишковими запасами міцності в осьовому напрямку. Під внутрішнім тиском поздовжні та широтні напруження сферичного резервуара рівні, і це вдвічі менше окружного напруження циліндричного резервуара. Металеві матеріали мають однакову міцність у всіх напрямках; тому сферичні металеві резервуари розраховані на однакову міцність і мають мінімальну масу для заданого об'єму та тиску. Напружений стан сферичного резервуара ідеальний, і стінку резервуара можна зробити найтоншою. Однак через більшу складність виготовлення сферичних резервуарів вони зазвичай використовуються лише в спеціальних застосуваннях, таких як космічні кораблі. Кільцеподібні контейнери рідко зустрічаються в промисловому виробництві, але їхня структура все ще необхідна в певних конкретних ситуаціях. Наприклад, космічні кораблі використовують цю спеціальну структуру для повного використання обмеженого простору. Прямокутні контейнери в основному використовуються для максимального використання простору, коли простір обмежений, наприклад, прямокутні цистерни для автомобілів та залізничні цистерни. Ці контейнери зазвичай є посудинами низького або атмосферного тиску, і перевага надається меншій вазі.

Складність конструкції композитного резервуара під тиском, різкі зміни торцевих кришок та їхньої товщини, а також змінна товщина та кут торцевих кришок створюють багато труднощів для проектування, аналізу, розрахунку та формування. Іноді композитні резервуари під тиском потребують не лише намотування під різними кутами та співвідношеннями швидкостей у торцевих кришках, але й різних методів намотування залежно від конструкції. Одночасно необхідно враховувати вплив практичних факторів, таких як коефіцієнт тертя. Тому лише правильне та обґрунтоване конструктивне рішення може належним чином керувати процесом виробництва намотування.композитний матеріалпосудини під тиском, тим самим виготовляючи вироби з легких композитних матеріалів для посудин під тиском, які відповідають конструктивним вимогам.

Матеріали для волокнистої обмотки посудин під тиском

Волокнистий шар, як основний несучий компонент, повинен мати високу міцність, високий модуль пружності, низьку щільність, термостабільність, добру змочуваність смолою, добру технологічність намотування та рівномірну щільність пучка волокон. До поширених армуючих волокнистих матеріалів для легких композитних резервуарів під тиском належать вуглецеве волокно, поліборидове волокно (ПБО), арамідне волокно та поліетиленове волокно надвисокої молекулярної маси.

Вуглецеве волокно– це волокнистий вуглецевий матеріал, основним компонентом якого є вуглець. Він утворюється шляхом карбонізації органічних волокон-попередників за високих температур і є високоефективним волокнистим матеріалом із вмістом вуглецю понад 95%. Вуглецеве волокно має чудові властивості, і його дослідження розпочалися понад 100 років тому. Це високоміцний, високомодульний та низькощільний високоефективний намотуваний волокнистий матеріал, який характеризується головними характеристиками:

1. Низька щільність та легка вага. Щільність вуглецевого волокна становить 1,7~2 г/см³, що еквівалентно 1/4 щільності сталі та 1/2 щільності алюмінієвого сплаву.

2. Висока міцність та високий модуль пружності: його міцність у 4-5 разів вища, ніж у сталі, а модуль пружності у 5-6 разів вищий, ніж у алюмінієвих сплавів, демонструючи абсолютне пружне відновлення (Zhang Eryong та Sun Yan, 2020). Міцність на розрив та модуль пружності вуглецевого волокна можуть досягати 3500-6300 МПа та 230-700 ГПа відповідно.

3. Низький коефіцієнт теплового розширення: Теплопровідність вуглецевого волокна зменшується зі збільшенням температури, що робить його стійким до швидкого охолодження та нагрівання. Воно не тріскається навіть після охолодження від кількох тисяч градусів Цельсія до кімнатної температури, не плавиться та не розм'якшується в неокислювальній атмосфері при 3000℃; воно не стає крихким при рідких температурах.

4. Добра стійкість до корозії: вуглецеве волокно інертне до кислот і може витримувати сильні кислоти, такі як концентрована соляна кислота та сірчана кислота. Крім того, вуглецеві волокнисті композити також мають такі характеристики, як радіаційна стійкість, добра хімічна стабільність, здатність поглинати токсичні гази та нейтронна модерація, що робить їх широко застосовними в аерокосмічній, військовій та багатьох інших галузях.

Арамід, органічне волокно, синтезоване з ароматичних поліфталамідів, з'явилося наприкінці 1960-х років. Його щільність нижча, ніж у вуглецевого волокна. Воно має високу міцність, високу плинність, добру ударостійкість, гарну хімічну стабільність та термостійкість, а його ціна лише вдвічі нижча, ніж у вуглецевого волокна.Арамідні волокнав основному мають такі характеристики:

1. Хороші механічні властивості. Арамідне волокно – це гнучкий полімер з вищою міцністю на розрив, ніж звичайні поліестери, бавовна та нейлон. Воно має більше подовження, м’яке відчуття та добру прядильність, що дозволяє виготовляти з нього волокна різної тонкості та довжини.

2. Відмінна вогнестійкість та термостійкість. Арамід має граничний кисневий індекс понад 28, тому він не продовжує горіти після зняття з полум'я. Він має добру термічну стабільність, може використовуватися безперервно при 205℃ та зберігає високу міцність навіть при температурах вище 205℃. Одночасно арамідні волокна мають високу температуру розкладання, зберігаючи високу міцність навіть при високих температурах, і починають карбонізуватися лише при температурах вище 370℃.

3. Стабільні хімічні властивості. Арамідні волокна демонструють чудову стійкість до більшості хімічних речовин, можуть витримувати більшість високих концентрацій неорганічних кислот та мають добру стійкість до лугів за кімнатної температури.

4. Відмінні механічні властивості. Він має видатні механічні властивості, такі як надвисока міцність, високий модуль та легка вага. Його міцність у 5-6 разів перевищує сталевий дріт, модуль пружності у 2-3 рази перевищує сталевий дріт або скловолокно, його міцність вдвічі перевищує сталевий дріт, а його вага становить лише 1/5 від ваги сталевого дроту. Ароматичні поліамідні волокна вже давно широко використовуються як високоефективні волокнисті матеріали, в першу чергу придатні для аерокосмічної та авіаційної промисловості, де пред'являються суворі вимоги до якості та форми.

Волокно PBO було розроблено в Сполучених Штатах у 1980-х роках як армуючий матеріал для композитних матеріалів, призначених для аерокосмічної промисловості. Це один з найперспективніших представників родини поліамідів, що містять гетероциклічні ароматичні сполуки, і відоме як суперволокно 21 століття. Волокно PBO має чудові фізичні та хімічні властивості; його міцність, модуль пружності та термостійкість є одними з найкращих серед усіх волокон. Крім того, волокно PBO має чудову ударостійкість, стійкість до стирання та стабільність розмірів, а також є легким та гнучким, що робить його ідеальним текстильним матеріалом. Волокно PBO має такі основні характеристики:

1. Відмінні механічні властивості. Високоякісні вироби з ПБО-волокна мають міцність 5,8 ГПа та модуль пружності 180 ГПа, що є найвищим показником серед існуючих хімічних волокон.

2. Відмінна термостабільність. Витримує температури до 600℃ з граничним індексом 68. Не горить і не стискається у полум'ї, а його термостійкість та вогнестійкість вищі, ніж у будь-якого іншого органічного волокна.

Як надвисокопродуктивне волокно 21-го століття, волокно PBO має видатні фізичні, механічні та хімічні властивості. Його міцність і модуль пружності вдвічі перевищують арамідне волокно, а також воно має термостійкість і вогнестійкість, як метаарамідний поліамід. Його фізичні та хімічні властивості повністю перевершують властивості арамідного волокна. Волокно PBO діаметром 1 мм може підняти предмет вагою до 450 кг, а його міцність більш ніж у 10 разів перевищує міцність сталевого волокна.

Поліетиленове волокно надвисокої молекулярної маси, також відоме як високоміцне, високомодульне поліетиленове волокно, є волокном з найвищою питомою міцністю та питомим модулем пружності у світі. Це волокно, виготовлене з поліетилену з молекулярною масою від 1 мільйона до 5 мільйонів. Поліетиленове волокно надвисокої молекулярної маси має такі основні характеристики:

1. Висока питома міцність та високий питомий модуль пружності. Його питома міцність більш ніж у десять разів перевищує міцність сталевого дроту того ж поперечного перерізу, а питомий модуль поступається лише спеціальному вуглецевому волокну. Зазвичай його молекулярна маса перевищує 10, міцність на розрив 3,5 ГПа, модуль пружності 116 ГПа та видовження 3,4%.

2. Низька щільність. Його щільність зазвичай становить 0,97~0,98 г/см³, що дозволяє йому плавати на воді.

3. Низьке подовження при розриві. Має високу здатність до поглинання енергії, чудову стійкість до ударів та порізів, чудову стійкість до атмосферних впливів, а також стійкість до ультрафіолетового випромінювання, нейтронів та гамма-випромінювання. Він також має високе питоме поглинання енергії, низьку діелектричну проникність, високий коефіцієнт пропускання електромагнітних хвиль та стійкість до хімічної корозії, а також добру зносостійкість та тривалий термін служби при згинанні.

Поліетиленове волокно має багато чудових властивостей, що демонструє значну перевагу ввисокопродуктивне волокноринок. Від швартовних ліній на морських нафтових родовищах до високоефективних легких композитних матеріалів, він демонструє величезні переваги в сучасній війні, а також в авіаційному, аерокосмічному та морському секторах, відіграючи вирішальну роль в оборонному обладнанні та інших сферах.