vijesti

Unutrašnji sloj posude pod pritiskom od vlakana je prvenstveno obloga, čija je glavna funkcija da djeluje kao zaptivna barijera kako bi se spriječilo curenje gasa ili tečnosti pod visokim pritiskom uskladištene unutra, a istovremeno štiti vanjski sloj od vlakana. Ovaj sloj ne korodira unutrašnjim uskladištenim materijalom, a vanjski sloj je sloj od vlakana ojačan smolom, koji se uglavnom koristi za podnošenje najvećeg dijela opterećenja pritiskom unutar posude pod pritiskom.

Struktura posude pod pritiskom od vlakana: Posude pod pritiskom od kompozitnih materijala uglavnom dolaze u četiri strukturna oblika: cilindrični, sferni, prstenasti i pravougaoni. Kružna posuda se sastoji od cilindričnog dijela i dva poklopca. Metalne posude pod pritiskom proizvode se u jednostavnim oblicima, sa viškom rezervi čvrstoće u aksijalnom smjeru. Pod unutrašnjim pritiskom, uzdužni i latitudinalni naponi sferne posude su jednaki, a to je polovina obimnog napona cilindrične posude. Metalni materijali imaju jednaku čvrstoću u svim smjerovima; stoga su sferne metalne posude dizajnirane za jednaku čvrstoću i imaju minimalnu masu za dati volumen i pritisak. Stanje napona sferne posude je idealno, a zid posude može biti najtanji. Međutim, zbog veće poteškoće u proizvodnji sfernih posuda, one se uglavnom koriste samo u posebnim primjenama kao što su svemirske letjelice. Kontejneri u obliku prstena su rijetki u industrijskoj proizvodnji, ali njihova struktura je i dalje neophodna u određenim specifičnim situacijama. Na primjer, svemirske letjelice koriste ovu posebnu strukturu kako bi u potpunosti iskoristile ograničeni prostor. Pravougaoni kontejneri se uglavnom koriste za maksimiziranje iskorištenja prostora kada je prostor ograničen, kao što su pravougaone cisterne za automobile i željezničke cisterne. Ove posude su uglavnom posude niskog ili atmosferskog pritiska, a poželjna je lakša težina.

Složenost strukture kompozitnih posuda pod pritiskom, nagle promjene u završnim kapama i njihovoj debljini, te promjenjiva debljina i ugao završnih kapa donose mnoge poteškoće prilikom projektovanja, analize, proračuna i oblikovanja. Ponekad, kompozitne posude pod pritiskom ne samo da zahtijevaju namotavanje pod različitim uglovima i omjerima brzina u završnim kapama, već zahtijevaju i različite metode namotavanja ovisno o strukturi. Istovremeno, mora se uzeti u obzir utjecaj praktičnih faktora kao što je koeficijent trenja. Stoga, samo ispravan i razuman strukturni dizajn može pravilno voditi proces proizvodnje namotavanja.kompozitni materijalposude pod pritiskom, čime se proizvode lagani proizvodi od kompozitnih materijala za posude pod pritiskom koji ispunjavaju dizajnerske zahtjeve.

Materijali za posude pod pritiskom od vlakana

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

Ugljična vlaknaje vlaknasti karbonski materijal čija je glavna komponenta ugljik. Nastaje karbonizacijom organskih prekursora vlakana na visokim temperaturama i visokoperformansni je vlaknasti materijal sa sadržajem ugljika većim od 95%. Ugljična vlakna imaju odlična svojstva, a istraživanja o njima započela su prije više od 100 godina. To je visokoperformansni 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). Zatezna čvrstoća i modul elastičnosti karbonskih vlakana mogu doseći 3500-6300 MPa, odnosno 230-700 GPa.

3. Nizak koeficijent toplotnog širenja: Toplotna provodljivost karbonskih vlakana se smanjuje s porastom temperature, što ih čini otpornim na brzo hlađenje i zagrijavanje. Neće pucati čak ni nakon hlađenja od nekoliko hiljada stepeni Celzijusa do sobne temperature, a neće se topiti ili omekšati u neoksidirajućoj atmosferi na 3000℃; neće postati krhka na tečnim temperaturama.

4. Dobra otpornost na koroziju: Ugljična vlakna su inertna prema kiselinama i mogu izdržati jake kiseline poput koncentrirane klorovodične kiseline i sumporne kiseline. Nadalje, kompoziti od ugljičnih vlakana također posjeduju karakteristike kao što su otpornost na zračenje, dobra hemijska stabilnost, sposobnost apsorpcije otrovnih plinova i moderiranje neutrona, što ih čini široko primjenjivima u zrakoplovstvu, vojsci i mnogim drugim oblastima.

Aramid, organsko vlakno sintetizirano iz aromatičnih poliftalamida, pojavio se krajem 1960-ih. Njegova gustoća je niža od gustoće karbonskih vlakana. Posjeduje visoku čvrstoću, visoku elastičnost, dobru otpornost na udarce, dobru hemijsku 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 sa većom zateznom čvrstoćom od običnih poliestera, pamuka i najlona. Ima veće istezanje, mekan je na dodir i dobru predivost, što omogućava izradu vlakana različite finoće i dužine.

2. Odlična 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 termičku stabilnost, može se kontinuirano koristiti na 205℃ i održava visoku čvrstoću čak i na temperaturama iznad 205℃. Istovremeno, aramidna vlakna imaju visoku temperaturu razgradnje, održavajući visoku čvrstoću čak i na visokim temperaturama, i počinju se karbonizirati tek na temperaturama iznad 370℃.

3. Stabilna hemijska svojstva. Aramidna vlakna pokazuju odličnu otpornost na većinu hemikalija, mogu izdržati većinu visokih koncentracija neorganskih kiselina i imaju dobru otpornost na alkalije na sobnoj temperaturi.

4. Odlična 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 su dugo široko korišteni visokoperformansni vlaknasti materijali, prvenstveno pogodni za vazduhoplovne i avio posude pod pritiskom sa strogim zahtjevima za kvalitetom i oblikom.

PBO vlakna su razvijena u Sjedinjenim Američkim Državama 1980-ih godina kao ojačavajući materijal za kompozitne materijale razvijene za vazduhoplovnu industriju. To je jedan od najperspektivnijih članova porodice poliamida koji sadrži heterocikličke aromatične spojeve i poznato je kao super vlakno 21. vijeka. PBO vlakna posjeduju odlična fizička i hemijska svojstva; njihova čvrstoća, modul elastičnosti i otpornost na toplotu su među najboljima od svih vlakana. Nadalje, PBO vlakna imaju odličnu otpornost na udarce, otpornost na abraziju i dimenzionalnu stabilnost, te su lagana i fleksibilna, što ih čini idealnim tekstilnim materijalom. PBO vlakna imaju sljedeće glavne karakteristike:

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

2. Odlična termička 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-visokoperformansno vlakno 21. vijeka, PBO vlakno posjeduje izvanredna fizička, mehanička i hemijska svojstva. Njegova čvrstoća i modul elastičnosti su dvostruko veći od aramidnih vlakana, a posjeduje otpornost na toplotu i usporavanje plamena od meta-aramidnog poliamida. Njegova fizička i hemijska svojstva u potpunosti nadmašuju svojstva aramidnih vlakana. PBO vlakno prečnika 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, je vlakno s najvećom specifičnom čvrstoćom i specifičnim modulom na svijetu. To je vlakno ispredeno od polietilena molekularne težine od 1 milion do 5 miliona. 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 poprečnog presjeka, a njegov specifični modul je drugi odmah iza specijalnih karbonskih vlakana. Tipično, njegova molekularna težina je veća od 10, sa zateznom čvrstoćom od 3,5 GPa, modulom elastičnosti od 116 GPa i izduženjem od 3,4%.

2. Niska gustoća. Njegova gustoća je uglavnom 0,97~0,98 g/cm³, što mu omogućava da pluta na vodi.

3. Nisko istezanje pri kidanju. Ima snažnu sposobnost apsorpcije energije, odličnu otpornost na udarce i rezanje, odličnu 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 hemijsku koroziju, kao i dobru otpornost na habanje i dug vijek trajanja pri savijanju.

Polietilenska vlakna posjeduju mnoga superiorna svojstva, pokazujući značajnu prednost uvisokoperformansna vlaknatržište. Od priveznih užadi na naftnim poljima na moru do visokoperformansnih laganih kompozitnih materijala, pokazuje ogromne prednosti u modernom ratovanju, kao i u avijaciji, vazduhoplovstvu i pomorskom sektoru, igrajući ključnu ulogu u odbrambenoj opremi i drugim oblastima.