notícies

La capa interior d'un recipient a pressió enrotllat amb fibra és principalment una estructura de revestiment, la funció principal de la qual és actuar com a barrera de segellat per evitar fuites del gas o líquid a alta pressió emmagatzemat a l'interior, alhora que protegeix la capa exterior enrotllada amb fibra. Aquesta capa no es corroeix pel material emmagatzemat internament, i la capa exterior és una capa enrotllada amb fibra reforçada amb resina, que s'utilitza principalment per suportar la major part de la càrrega de pressió dins del recipient a pressió.

L'estructura d'un recipient a pressió amb fibra: Els recipients a pressió de materials compostos es presenten principalment en quatre formes estructurals: cilíndric, esfèric, anular i rectangular. Un recipient circular consta d'una secció cilíndrica i dos capçals. Els recipients a pressió metàl·lics es fabriquen en formes simples, amb reserves de resistència excessives en la direcció axial. Sota pressió interna, les tensions longitudinals i latitudinals d'un recipient esfèric són iguals, i és la meitat de la tensió circumferencial d'un recipient cilíndric. Els materials metàl·lics tenen la mateixa resistència en totes les direccions; per tant, els recipients metàl·lics esfèrics estan dissenyats per a la mateixa resistència i tenen la massa mínima per a un volum i una pressió determinats. L'estat de tensió d'un recipient esfèric és ideal i la paret del recipient es pot fer la més prima possible. Tanmateix, a causa de la major dificultat en la fabricació de recipients esfèrics, generalment només s'utilitzen en aplicacions especials com ara naus espacials. Els contenidors en forma d'anell són rars en la producció industrial, però la seva estructura encara és necessària en determinades situacions específiques. Per exemple, les naus espacials utilitzen aquesta estructura especial per aprofitar al màxim l'espai limitat. Els contenidors rectangulars s'utilitzen principalment per maximitzar l'ús de l'espai quan l'espai és limitat, com ara vagons cisterna rectangulars per a automòbils i vagons cisterna de ferrocarril. Aquests contenidors són generalment recipients de baixa pressió o pressió atmosfèrica, i es prefereix un pes més lleuger.

La complexitat de l'estructura dels recipients a pressió de material compost, els canvis sobtats en els taps i el seu gruix, i el gruix i l'angle variables dels taps comporten moltes dificultats per al disseny, l'anàlisi, el càlcul i el modelat. De vegades, els recipients a pressió de material compost no només requereixen un enrotllament en diferents angles i relacions de velocitat als taps, sinó que també requereixen diferents mètodes d'enrotllament segons l'estructura. Simultàniament, s'ha de tenir en compte la influència de factors pràctics com el coeficient de fricció. Per tant, només un disseny estructural correcte i raonable pot guiar adequadament el procés de producció d'enrotllament.material compostrecipients a pressió, produint així productes de recipients a pressió de material compost lleuger que compleixen els requisits de disseny.

Materials per a recipients a pressió amb fibra enrotllada

La capa de fibra enrotllada, com a component principal de càrrega, ha de posseir una alta resistència, un mòdul elevat, una baixa densitat, una estabilitat tèrmica, una bona humectabilitat de la resina, una bona processabilitat de l'enrotllament i una estanquitat uniforme del feix de fibres. Els materials de fibra de reforç que s'utilitzen habitualment per a recipients a pressió compostos lleugers inclouen fibra de carboni, fibra de PBO, fibra d'aramida i fibra de polietilè de pes molecular ultra alt.

fibra de carboniés un material de carboni fibrós el component principal del qual és el carboni. Es forma carbonitzant precursors de fibra orgànica a altes temperatures i és un material de fibra d'alt rendiment amb un contingut de carboni superior al 95%. La fibra de carboni té excel·lents propietats i la investigació sobre ella va començar fa més de 100 anys. És un material de fibra enrotllada d'alt rendiment d'alta resistència, alt mòdul i baixa densitat, que es caracteritza principalment pel següent:

1. Baixa densitat i pes lleuger. La densitat de la fibra de carboni és d'1,7~2 g/cm³, equivalent a 1/4 de la densitat de l'acer i 1/2 de la densitat de l'aliatge d'alumini.

2. Alta resistència i mòdul elevat: la seva resistència és de 4 a 5 vegades superior a la de l'acer i el seu mòdul elàstic és de 5 a 6 vegades superior al dels aliatges d'alumini, presentant una recuperació elàstica absoluta (Zhang Eryong i Sun Yan, 2020). La resistència a la tracció i el mòdul elàstic de la fibra de carboni poden arribar a 3500-6300 MPa i 230-700 GPa, respectivament.

3. Baix coeficient d'expansió tèrmica: la conductivitat tèrmica de la fibra de carboni disminueix amb l'augment de la temperatura, cosa que la fa resistent al refredament i l'escalfament ràpids. No s'esquerdarà ni tan sols després de refredar-se des de diversos milers de graus Celsius fins a la temperatura ambient, i no es fondrà ni s'estovarà en una atmosfera no oxidant a 3000 ℃; no es tornarà fràgil a temperatures líquides.

4. Bona resistència a la corrosió: la fibra de carboni és inert als àcids i pot suportar àcids forts com l'àcid clorhídric concentrat i l'àcid sulfúric. A més, els compostos de fibra de carboni també posseeixen característiques com la resistència a la radiació, la bona estabilitat química, la capacitat d'absorbir gasos tòxics i la moderació de neutrons, cosa que els fa àmpliament aplicables en l'aeroespacial, l'exèrcit i molts altres camps.

L'aramida, una fibra orgànica sintetitzada a partir de poliftalamides aromàtiques, va sorgir a finals dels anys seixanta. La seva densitat és inferior a la de la fibra de carboni. Posseeix una alta resistència, un alt rendiment, una bona resistència a l'impacte, una bona estabilitat química i resistència a la calor, i el seu preu és només la meitat que el de la fibra de carboni.Fibres d'aramidaprincipalment tenen les següents característiques:

1. Bones propietats mecàniques. La fibra d'aramida és un polímer flexible amb una resistència a la tracció més alta que els polièsters, el cotó i el niló ordinaris. Té una major elongació, un tacte suau i una bona filabilitat, cosa que permet convertir-la en fibres de diferent finesa i longitud.

2. Excel·lent ignífug i resistència a la calor. L'aramida té un índex límit d'oxigen superior a 28, de manera que no continua cremant-se després de retirar-la de la flama. Té una bona estabilitat tèrmica, es pot utilitzar contínuament a 205 ℃ i manté una alta resistència fins i tot a temperatures superiors a 205 ℃. Alhora, les fibres d'aramida tenen una alta temperatura de descomposició, mantenen una alta resistència fins i tot a altes temperatures i només comencen a carbonitzar-se a temperatures superiors a 370 ℃.

3. Propietats químiques estables. Les fibres d'aramida presenten una excel·lent resistència a la majoria de productes químics, poden suportar la majoria de concentracions elevades d'àcids inorgànics i tenen una bona resistència als àlcalis a temperatura ambient.

4. Excel·lents propietats mecàniques. Posseeix propietats mecàniques destacades com ara una resistència ultraalta, un mòdul elevat i un pes lleuger. La seva resistència és de 5 a 6 vegades superior a la del filferro d'acer, el seu mòdul elàstic és de 2 a 3 vegades superior al del filferro d'acer o la fibra de vidre, la seva tenacitat és el doble que la del filferro d'acer i el seu pes és només 1/5 del del filferro d'acer. Les fibres de poliamida aromàtiques han estat durant molt de temps materials de fibra d'alt rendiment àmpliament utilitzats, principalment adequats per a recipients a pressió aeroespacials i d'aviació amb requisits estrictes de qualitat i forma.

La fibra de PBO es va desenvolupar als Estats Units a la dècada de 1980 com a material de reforç per a materials compostos desenvolupats per a la indústria aeroespacial. És un dels membres més prometedors de la família de les poliamides que conté compostos aromàtics heterocíclics i es coneix com la superfibra del segle XXI. La fibra de PBO posseeix excel·lents propietats físiques i químiques; la seva resistència, mòdul elàstic i resistència a la calor es troben entre les millors de totes les fibres. A més, la fibra de PBO té una excel·lent resistència a l'impacte, resistència a l'abrasió i estabilitat dimensional, i és lleugera i flexible, cosa que la converteix en un material tèxtil ideal. La fibra de PBO té les següents característiques principals:

1. Excel·lents propietats mecàniques. Els productes de fibra PBO d'alta gamma tenen una resistència de 5,8 GPa i un mòdul elàstic de 180 GPa, el més alt entre les fibres químiques existents.

2. Excel·lent estabilitat tèrmica. Pot suportar temperatures de fins a 600 ℃, amb un índex límit de 68. No es crema ni es contrau en una flama, i la seva resistència a la calor i retardant de flama són superiors a qualsevol altra fibra orgànica.

Com a fibra d'alt rendiment del segle XXI, la fibra PBO posseeix unes propietats físiques, mecàniques i químiques excepcionals. La seva resistència i mòdul elàstic són el doble que els de la fibra d'aramida, i posseeix la resistència a la calor i la ignifugació de la poliamida meta-aramida. Les seves propietats físiques i químiques superen completament les de la fibra d'aramida. Una fibra PBO d'1 mm de diàmetre pot aixecar un objecte que pesa fins a 450 kg, i la seva resistència és més de 10 vegades superior a la de la fibra d'acer.

Fibra de polietilè de pes molecular ultra alt, també coneguda com a fibra de polietilè d'alta resistència i mòdul elevat, és la fibra amb la resistència específica i el mòdul específic més alts del món. És una fibra filada a partir de polietilè amb un pes molecular d'1 milió a 5 milions. La fibra de polietilè de pes molecular ultra alt té principalment les característiques següents:

1. Alta resistència específica i alt mòdul específic. La seva resistència específica és més de deu vegades superior a la del filferro d'acer de la mateixa secció transversal, i el seu mòdul específic només és superat per la fibra de carboni especial. Normalment, el seu pes molecular és superior a 10, amb una resistència a la tracció de 3,5 GPa, un mòdul elàstic de 116 GPa i un allargament del 3,4%.

2. Baixa densitat. La seva densitat és generalment de 0,97~0,98 g/cm³, cosa que li permet surar a l'aigua.

3. Baixa elongació a la ruptura. Té una forta capacitat d'absorció d'energia, una excel·lent resistència a l'impacte i al tall, una excel·lent resistència a la intempèrie i és resistent als raigs ultraviolats, neutrons i raigs gamma. També posseeix una alta absorció d'energia específica, una baixa constant dielèctrica, una alta transmitància d'ones electromagnètiques i resistència a la corrosió química, així com una bona resistència al desgast i una llarga vida útil a la flexió.

La fibra de polietilè posseeix moltes propietats superiors, demostrant un avantatge significatiu enfibra d'alt rendimentmercat. Des de línies d'amarratge en camps petrolífers marins fins a materials compostos lleugers d'alt rendiment, presenta enormes avantatges en la guerra moderna, així com en els sectors de l'aviació, l'aeroespacial i el marítim, jugant un paper crucial en els equips defensius i altres àrees.