vijesti

Unutarnji sloj tlačne posude s vlaknima prvenstveno je obloga, čija je glavna funkcija djelovati kao brtvena barijera kako bi se spriječilo curenje plina ili tekućine pod visokim tlakom pohranjene unutra, a istovremeno štiti vanjski sloj s vlaknima. Ovaj sloj ne korodira unutarnjim pohranjenim materijalom, a vanjski sloj je sloj s vlaknima ojačan smolom, koji se uglavnom koristi za podnošenje najvećeg dijela tlačnog opterećenja unutar tlačne posude.

Struktura tlačne posude s vlaknima: Tlačne posude od kompozitnih materijala uglavnom dolaze u četiri strukturna oblika: cilindrični, sferni, prstenasti i pravokutni. Kružna posuda sastoji se od cilindričnog dijela i dva poklopca. Metalne tlačne posude proizvode se u jednostavnim oblicima, s viškom rezervi čvrstoće u aksijalnom smjeru. Pod unutarnjim tlakom, uzdužna i latitudinalna naprezanja sferne posude su jednaka, a to je polovica obodnog naprezanja cilindrične posude. Metalni materijali imaju jednaku čvrstoću u svim smjerovima; stoga su sferne metalne posude dizajnirane za jednaku čvrstoću i imaju minimalnu masu za zadani volumen i tlak. Stanje naprezanja sferne posude je idealno, a stijenka posude može biti najtanja. Međutim, zbog veće poteškoće u proizvodnji sfernih posuda, one se općenito koriste samo u posebnim primjenama kao što su svemirske letjelice. Spremnici u obliku prstena rijetki su u industrijskoj proizvodnji, ali njihova struktura je i dalje potrebna u određenim specifičnim situacijama. Na primjer, svemirske letjelice koriste ovu posebnu strukturu kako bi u potpunosti iskoristile ograničeni prostor. Pravokutni spremnici uglavnom se koriste za maksimiziranje iskorištenja prostora kada je prostor ograničen, kao što su pravokutne cisterne za automobile i željezničke cisterne. Ove posude su općenito posude niskog ili atmosferskog tlaka, a poželjna je lakša težina.

Složenost strukture tlačnih posuda od kompozitnih materijala, nagle promjene u završnim kapama i njihovoj debljini te promjenjiva debljina i kut završnih kapa donose mnoge poteškoće u projektiranju, analizi, izračunu i oblikovanju. Ponekad tlačne posude od kompozitnih materijala ne samo da zahtijevaju namatanje pod različitim kutovima i omjerima brzina u završnim kapama, već zahtijevaju i različite metode namatanja ovisno o strukturi. Istovremeno, mora se uzeti u obzir utjecaj praktičnih čimbenika poput koeficijenta trenja. Stoga samo ispravan i razuman strukturni dizajn može pravilno voditi proces proizvodnje namotavanja.kompozitni materijaltlačne posude, čime se proizvode lagani kompozitni proizvodi od tlačnih posuda koje zadovoljavaju zahtjeve dizajna.

Materijali za tlačne posude od vlakana

Sloj namotan vlaknima, kao glavna komponenta koja nosi opterećenje, mora posjedovati visoku čvrstoću, visoki modul, nisku gustoću, toplinsku stabilnost, dobru kvašljivost smole, dobru obradivost namotavanja i ujednačenu čvrstoću snopa vlakana. Uobičajeno korišteni ojačavajući vlaknasti materijali za lagane kompozitne tlačne posude uključuju karbonska vlakna, PBO vlakna, aramidna vlakna i polietilenska vlakna ultra visoke molekularne težine.

Karbonska vlaknaje vlaknasti ugljični materijal čija je glavna komponenta ugljik. Nastaje karbonizacijom organskih prekursora vlakana na visokim temperaturama i visokoučinkoviti je vlaknasti materijal s udjelom ugljika većim od 95%. Ugljična vlakna imaju izvrsna svojstva, a istraživanja o njima započela su prije više od 100 godina. To je visokoučinkoviti namotani vlaknasti materijal visoke čvrstoće, visokog modula i niske gustoće, koji se uglavnom karakterizira sljedećim:

1. Niska gustoća i mala težina. Gustoća karbonskih vlakana je 1,7~2 g/cm³, što je ekvivalentno 1/4 gustoće čelika i 1/2 gustoće aluminijske legure.

2. Visoka čvrstoća i visoki modul: Njegova čvrstoća je 4-5 puta veća od čelika, a modul elastičnosti je 5-6 puta veći od aluminijskih legura, pokazujući apsolutni elastični oporavak (Zhang Eryong i Sun Yan, 2020.). Vlačna čvrstoća i modul elastičnosti karbonskih vlakana mogu doseći 3500-6300 MPa, odnosno 230-700 GPa.

3. Nizak koeficijent toplinskog širenja: Toplinska vodljivost karbonskih vlakana smanjuje se s porastom temperature, što ih čini otpornima na brzo hlađenje i zagrijavanje. Neće pucati čak ni nakon hlađenja s nekoliko tisuća stupnjeva Celzija na sobnu temperaturu, a neće se topiti ili omekšati u neoksidirajućoj atmosferi na 3000 ℃; neće postati krhka na temperaturama tekućina.

4. Dobra otpornost na koroziju: Karbonska vlakna su inertna prema kiselinama i mogu izdržati jake kiseline poput koncentrirane klorovodične kiseline i sumporne kiseline. Nadalje, kompoziti od karbonskih vlakana također posjeduju karakteristike poput otpornosti na zračenje, dobre kemijske stabilnosti, sposobnosti apsorpcije otrovnih plinova i moderiranja neutrona, što ih čini široko primjenjivima u zrakoplovstvu, vojsci i mnogim drugim područjima.

Aramid, organsko vlakno sintetizirano iz aromatskih poliftalamida, pojavio se krajem 1960-ih. Njegova gustoća je niža od gustoće karbonskih vlakana. Posjeduje visoku čvrstoću, visoku elastičnost, dobru otpornost na udarce, dobru kemijsku stabilnost i otpornost na toplinu, a cijena mu je samo upola manja od cijene karbonskih vlakana.Aramidna vlaknauglavnom imaju sljedeće karakteristike:

1. Dobra mehanička svojstva. Aramidno vlakno je fleksibilan polimer s većom vlačnom čvrstoćom od običnih poliestera, pamuka i najlona. Ima veće istezanje, mekan je na dodir i dobru predivost, što omogućuje izradu vlakana različite finoće i duljine.

2. Izvrsna otpornost na plamen i toplinu. Aramid ima granični indeks kisika veći od 28, tako da ne nastavlja gorjeti nakon što se ukloni iz plamena. Ima dobru toplinsku stabilnost, može se kontinuirano koristiti na 205 ℃ i održava visoku čvrstoću čak i na temperaturama iznad 205 ℃. Istovremeno, aramidna vlakna imaju visoku temperaturu raspadanja, održavajući visoku čvrstoću čak i na visokim temperaturama, a počinju se karbonizirati tek na temperaturama iznad 370 ℃.

3. Stabilna kemijska svojstva. Aramidna vlakna pokazuju izvrsnu otpornost na većinu kemikalija, mogu izdržati većinu visokih koncentracija anorganskih kiselina i imaju dobru otpornost na alkalije na sobnoj temperaturi.

4. Izvrsna mehanička svojstva. Posjeduje izvanredna mehanička svojstva kao što su ultra visoka čvrstoća, visoki modul i mala težina. Njegova čvrstoća je 5-6 puta veća od čelične žice, modul elastičnosti je 2-3 puta veći od čelične žice ili staklenih vlakana, žilavost je dvostruko veća od čelične žice, a težina je samo 1/5 težine čelične žice. Aromatična poliamidna vlakna već su dugo široko korišteni visokoučinkoviti vlaknasti materijali, prvenstveno prikladni za zrakoplovne i zrakoplovne tlačne posude sa strogim zahtjevima za kvalitetom i oblikom.

PBO vlakna su razvijena u Sjedinjenim Državama 1980-ih kao ojačavajući materijal za kompozitne materijale razvijene za zrakoplovnu industriju. Jedan su od najperspektivnijih članova obitelji poliamida koji sadrže heterocikličke aromatske spojeve i poznat je kao super vlakno 21. stoljeća. PBO vlakna posjeduju izvrsna fizikalna i kemijska svojstva; njihova čvrstoća, modul elastičnosti i otpornost na toplinu među najboljima su od svih vlakana. Nadalje, PBO vlakna imaju izvrsnu otpornost na udarce, otpornost na habanje i dimenzijsku stabilnost te su lagana i fleksibilna, što ih čini idealnim tekstilnim materijalom. PBO vlakna imaju sljedeće glavne karakteristike:

1. Izvrsna mehanička svojstva. Visokokvalitetni PBO vlaknasti proizvodi imaju čvrstoću od 5,8 GPa i modul elastičnosti od 180 GPa, što je najviša vrijednost među postojećim kemijskim vlaknima.

2. Izvrsna toplinska stabilnost. Može izdržati temperature do 600 ℃, s graničnim indeksom od 68. Ne gori niti se skuplja u plamenu, a njegova otpornost na toplinu i usporavanje plamena su veće od bilo kojeg drugog organskog vlakna.

Kao ultra-visokoučinkovito vlakno 21. stoljeća, PBO vlakno posjeduje izvanredna fizička, mehanička i kemijska svojstva. Njegova čvrstoća i modul elastičnosti dvostruko su veći od aramidnih vlakana, a posjeduje otpornost na toplinu i usporavanje plamena meta-aramidnog poliamida. Njegova fizička i kemijska svojstva u potpunosti nadmašuju svojstva aramidnih vlakana. PBO vlakno promjera 1 mm može podići predmet težine do 450 kg, a njegova čvrstoća je više od 10 puta veća od čvrstoće čeličnih vlakana.

Polietilenska vlakna ultra visoke molekularne težine, također poznato kao polietilensko vlakno visoke čvrstoće i visokog modula, vlakno je s najvećom specifičnom čvrstoćom i specifičnim modulom na svijetu. To je vlakno ispredeno od polietilena molekularne težine od 1 milijun do 5 milijuna. Polietilensko vlakno ultra visoke molekularne težine uglavnom ima sljedeće karakteristike:

1. Visoka specifična čvrstoća i visoki specifični modul. Njegova specifična čvrstoća je više od deset puta veća od čelične žice istog presjeka, a specifični modul je drugi odmah iza specijalnih karbonskih vlakana. Tipično, njegova molekularna težina je veća od 10, s vlačnom čvrstoćom od 3,5 GPa, modulom elastičnosti od 116 GPa i istezanjem od 3,4%.

2. Niska gustoća. Njegova gustoća je općenito 0,97~0,98 g/cm³, što mu omogućuje plutanje na vodi.

3. Nisko istezanje pri pucanju. Ima snažnu sposobnost apsorpcije energije, izvrsnu otpornost na udarce i rezanje, izvrsnu otpornost na vremenske uvjete i otporan je na ultraljubičaste zrake, neutrone i gama zrake. Također posjeduje visoku specifičnu apsorpciju energije, nisku dielektričnu konstantu, visoku propusnost elektromagnetskih valova i otpornost na kemijsku koroziju, kao i dobru otpornost na habanje i dugi vijek trajanja pri savijanju.

Polietilenska vlakna posjeduju mnoga superiorna svojstva, pokazujući značajnu prednost uvisokoučinkovita vlaknatržište. Od priveznih užadi u naftnim poljima na moru do visokoučinkovitih laganih kompozitnih materijala, pokazuje ogromne prednosti u modernom ratovanju, kao i u zrakoplovstvu, svemirskoj industriji i pomorskom sektoru, igrajući ključnu ulogu u obrambenoj opremi i drugim područjima.