νέα

Το εσωτερικό στρώμα ενός δοχείου πίεσης με περιέλιξη από ίνες είναι κυρίως μια επένδυση, της οποίας η κύρια λειτουργία είναι να λειτουργεί ως φράγμα στεγανοποίησης για την πρόληψη της διαρροής του αερίου ή υγρού υψηλής πίεσης που αποθηκεύεται στο εσωτερικό, προστατεύοντας παράλληλα το εξωτερικό στρώμα με περιέλιξη από ίνες. Αυτό το στρώμα δεν διαβρώνεται από το εσωτερικά αποθηκευμένο υλικό και το εξωτερικό στρώμα είναι ένα στρώμα με περιέλιξη από ίνες ενισχυμένο με ρητίνη, που χρησιμοποιείται κυρίως για να φέρει το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου πίεσης εντός του δοχείου πίεσης.

Η δομή ενός δοχείου πίεσης με περιέλιξη από ίνες: Τα δοχεία πίεσης από σύνθετα υλικά διατίθενται κυρίως σε τέσσερις δομικές μορφές: κυλινδρικά, σφαιρικά, δακτυλιοειδή και ορθογώνια. Ένα κυκλικό δοχείο αποτελείται από μια κυλινδρική διατομή και δύο κεφαλές. Τα μεταλλικά δοχεία πίεσης κατασκευάζονται σε απλά σχήματα, με πλεονάζοντα αποθέματα αντοχής στην αξονική κατεύθυνση. Υπό εσωτερική πίεση, οι διαμήκεις και γεωγραφικές τάσεις ενός σφαιρικού δοχείου είναι ίσες και είναι το μισό της περιφερειακής τάσης ενός κυλινδρικού δοχείου. Τα μεταλλικά υλικά έχουν ίση αντοχή σε όλες τις κατευθύνσεις. Επομένως, τα σφαιρικά μεταλλικά δοχεία σχεδιάζονται για ίση αντοχή και έχουν την ελάχιστη μάζα για δεδομένο όγκο και πίεση. Η κατάσταση τάσης ενός σφαιρικού δοχείου είναι ιδανική και το τοίχωμα του δοχείου μπορεί να γίνει το λεπτότερο. Ωστόσο, λόγω της μεγαλύτερης δυσκολίας στην κατασκευή σφαιρικών δοχείων, χρησιμοποιούνται γενικά μόνο σε ειδικές εφαρμογές όπως τα διαστημόπλοια. Τα δακτυλιοειδή δοχεία είναι σπάνια στη βιομηχανική παραγωγή, αλλά η δομή τους εξακολουθεί να είναι απαραίτητη σε ορισμένες συγκεκριμένες περιπτώσεις. Για παράδειγμα, τα διαστημόπλοια χρησιμοποιούν αυτήν την ειδική δομή για να αξιοποιήσουν πλήρως τον περιορισμένο χώρο. Τα ορθογώνια δοχεία χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μεγιστοποίηση της αξιοποίησης του χώρου όταν ο χώρος είναι περιορισμένος, όπως ορθογώνια βυτιοφόρα για αυτοκίνητα και σιδηροδρομικά βυτιοφόρα. Αυτά τα δοχεία είναι γενικά δοχεία χαμηλής πίεσης ή ατμοσφαιρικής πίεσης και προτιμώνται τα ελαφρύτερα.

Η πολυπλοκότητα της δομής του δοχείου πίεσης από σύνθετο υλικό, οι απότομες αλλαγές στα καπάκια των άκρων και το πάχος τους, καθώς και το μεταβλητό πάχος και γωνία των καπακιών των άκρων, δημιουργούν πολλές δυσκολίες στο σχεδιασμό, την ανάλυση, τον υπολογισμό και τη χύτευση. Μερικές φορές, τα δοχεία πίεσης από σύνθετο υλικό όχι μόνο απαιτούν περιέλιξη σε διαφορετικές γωνίες και λόγους ταχύτητας στα καπάκια των άκρων, αλλά απαιτούν και διαφορετικές μεθόδους περιέλιξης ανάλογα με τη δομή. Ταυτόχρονα, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση πρακτικών παραγόντων όπως ο συντελεστής τριβής. Επομένως, μόνο ένας σωστός και λογικός δομικός σχεδιασμός μπορεί να καθοδηγήσει σωστά τη διαδικασία παραγωγής περιέλιξης.σύνθετο υλικόδοχεία πίεσης, παράγοντας έτσι προϊόντα δοχείων πίεσης ελαφρού σύνθετου υλικού που πληρούν τις απαιτήσεις σχεδιασμού.

Υλικά για δοχεία πίεσης με περιέλιξη από ίνες

Το στρώμα τυλιγμένο με ίνες, ως το κύριο φέρον στοιχείο, πρέπει να διαθέτει υψηλή αντοχή, υψηλό μέτρο ελαστικότητας, χαμηλή πυκνότητα, θερμική σταθερότητα, καλή διαβρεξιμότητα ρητίνης, καλή επεξεργασιμότητα περιέλιξης και ομοιόμορφη στεγανότητα δεσμίδας ινών. Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα υλικά ενισχυτικών ινών για ελαφριά σύνθετα δοχεία πίεσης περιλαμβάνουν ίνες άνθρακα, ίνες PBO, ίνες αραμιδίου και ίνες πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους.

Ίνες άνθρακαείναι ένα ινώδες υλικό άνθρακα του οποίου το κύριο συστατικό είναι ο άνθρακας. Σχηματίζεται με την ενανθράκωση οργανικών προδρόμων ινών σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι ένα υλικό ινών υψηλής απόδοσης με περιεκτικότητα σε άνθρακα που υπερβαίνει το 95%. Οι ίνες άνθρακα έχουν εξαιρετικές ιδιότητες και η έρευνα πάνω σε αυτές ξεκίνησε πριν από 100 χρόνια. Είναι ένα υλικό τυλιγμένων ινών υψηλής απόδοσης υψηλής αντοχής, υψηλού μέτρου ελαστικότητας και χαμηλής πυκνότητας, που χαρακτηρίζεται κυρίως από τα ακόλουθα:

1. Χαμηλή πυκνότητα και ελαφρύ βάρος. Η πυκνότητα των ινών άνθρακα είναι 1,7~2 g/cm³, που ισοδυναμεί με το 1/4 της πυκνότητας του χάλυβα και το 1/2 της πυκνότητας του κράματος αλουμινίου.

2. Υψηλή αντοχή και υψηλό μέτρο ελαστικότητας: Η αντοχή του είναι 4-5 φορές υψηλότερη από τον χάλυβα και το μέτρο ελαστικότητάς του είναι 5-6 φορές υψηλότερο από τα κράματα αλουμινίου, παρουσιάζοντας απόλυτη ελαστική ανάκτηση (Zhang Eryong και Sun Yan, 2020). Η αντοχή σε εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας των ινών άνθρακα μπορούν να φτάσουν τα 3500-6300 MPa και 230-700 GPa, αντίστοιχα.

3. Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής: Η θερμική αγωγιμότητα των ινών άνθρακα μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, καθιστώντας την ανθεκτική στην ταχεία ψύξη και θέρμανση. Δεν θα σπάσει ακόμη και μετά από ψύξη από αρκετές χιλιάδες βαθμούς Κελσίου σε θερμοκρασία δωματίου και δεν θα λιώσει ή θα μαλακώσει σε μη οξειδωτική ατμόσφαιρα στους 3000℃. Δεν θα γίνει εύθραυστη σε θερμοκρασίες υγρού.

4. Καλή αντοχή στη διάβρωση: Οι ίνες άνθρακα είναι αδρανείς στα οξέα και μπορούν να αντέξουν ισχυρά οξέα όπως το πυκνό υδροχλωρικό οξύ και το θειικό οξύ. Επιπλέον, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα διαθέτουν επίσης χαρακτηριστικά όπως αντοχή στην ακτινοβολία, καλή χημική σταθερότητα, ικανότητα απορρόφησης τοξικών αερίων και μετριοπάθεια νετρονίων, καθιστώντας τα ευρέως εφαρμόσιμα στην αεροδιαστημική, τον στρατιωτικό και πολλούς άλλους τομείς.

Το αραμίδιο, μια οργανική ίνα που συντίθεται από αρωματικά πολυφθαλαμίδια, εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Η πυκνότητά του είναι χαμηλότερη από αυτή των ινών άνθρακα. Διαθέτει υψηλή αντοχή, υψηλή απόδοση, καλή αντοχή σε κρούσεις, καλή χημική σταθερότητα και αντοχή στη θερμότητα, και η τιμή του είναι μόνο η μισή από αυτή των ινών άνθρακα.Ίνες αραμιδίουέχουν κυρίως τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Καλές μηχανικές ιδιότητες. Η ίνα αραμιδίου είναι ένα εύκαμπτο πολυμερές με υψηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό από τους συνηθισμένους πολυεστέρες, το βαμβάκι και το νάιλον. Έχει μεγαλύτερη επιμήκυνση, απαλή αίσθηση στο χέρι και καλή ικανότητα περιστροφής, επιτρέποντάς της να μετατραπεί σε ίνες διαφορετικής λεπτότητας και μήκους.

2. Εξαιρετική επιβράδυνση φλόγας και αντοχή στη θερμότητα. Το αραμίδιο έχει περιοριστικό δείκτη οξυγόνου μεγαλύτερο από 28, επομένως δεν συνεχίζει να καίγεται μετά την αφαίρεσή του από τη φλόγα. Έχει καλή θερμική σταθερότητα, μπορεί να χρησιμοποιείται συνεχώς στους 205℃ και διατηρεί υψηλή αντοχή ακόμη και σε θερμοκρασίες άνω των 205℃. Ταυτόχρονα, οι ίνες αραμιδίου έχουν υψηλή θερμοκρασία αποσύνθεσης, διατηρώντας υψηλή αντοχή ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες και αρχίζουν να ανθρακοποιούνται μόνο σε θερμοκρασίες άνω των 370℃.

3. Σταθερές χημικές ιδιότητες. Οι ίνες αραμιδίου παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στις περισσότερες χημικές ουσίες, μπορούν να αντέξουν τις περισσότερες υψηλές συγκεντρώσεις ανόργανων οξέων και έχουν καλή αντοχή στα αλκάλια σε θερμοκρασία δωματίου.

4. Εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Διαθέτει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες όπως εξαιρετικά υψηλή αντοχή, υψηλό μέτρο ελαστικότητας και ελαφρύ βάρος. Η αντοχή του είναι 5-6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλύβδινου σύρματος, το μέτρο ελαστικότητάς του είναι 2-3 φορές μεγαλύτερο από αυτό του χαλύβδινου σύρματος ή των υαλονημάτων, η σκληρότητά του είναι διπλάσια από αυτή του χαλύβδινου σύρματος και το βάρος του είναι μόνο το 1/5 του χαλύβδινου σύρματος. Οι αρωματικές ίνες πολυαμιδίου χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό ευρέως ως υλικά ινών υψηλής απόδοσης, κατάλληλα κυρίως για αεροδιαστημικά και αεροπορικά δοχεία πίεσης με αυστηρές απαιτήσεις ποιότητας και σχήματος.

Η ίνα PBO αναπτύχθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1980 ως ενισχυτικό υλικό για σύνθετα υλικά που αναπτύσσονται για την αεροδιαστημική βιομηχανία. Είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα μέλη της οικογένειας πολυαμιδίων που περιέχει ετεροκυκλικές αρωματικές ενώσεις και είναι γνωστή ως η υπερ-ίνα του 21ου αιώνα. Η ίνα PBO διαθέτει εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Η αντοχή, το μέτρο ελαστικότητας και η αντοχή στη θερμότητα είναι από τις καλύτερες όλων των ινών. Επιπλέον, η ίνα PBO έχει εξαιρετική αντοχή σε κρούσεις, αντοχή στην τριβή και διαστατική σταθερότητα, και είναι ελαφριά και εύκαμπτη, καθιστώντας την ιδανικό υφαντικό υλικό. Η ίνα PBO έχει τα ακόλουθα κύρια χαρακτηριστικά:

1. Εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Τα προϊόντα ινών PBO υψηλής ποιότητας έχουν αντοχή 5,8 GPa και μέτρο ελαστικότητας 180 GPa, το υψηλότερο μεταξύ των υπαρχουσών χημικών ινών.

2. Εξαιρετική θερμική σταθερότητα. Μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 600℃, με οριακό δείκτη 68. Δεν καίγεται ούτε συρρικνώνεται σε φλόγα, και η αντοχή στη θερμότητα και η επιβράδυνση φλόγας είναι υψηλότερες από οποιαδήποτε άλλη οργανική ίνα.

Ως ίνα εξαιρετικά υψηλής απόδοσης του 21ου αιώνα, η ίνα PBO διαθέτει εξαιρετικές φυσικές, μηχανικές και χημικές ιδιότητες. Η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητάς της είναι διπλάσια από την ίνα αραμιδίου και διαθέτει την αντοχή στη θερμότητα και την επιβράδυνση φλόγας του μετα-αραμιδικού πολυαμιδίου. Οι φυσικές και χημικές της ιδιότητες ξεπερνούν πλήρως εκείνες της ίνας αραμιδίου. Μια ίνα PBO διαμέτρου 1 mm μπορεί να ανυψώσει ένα αντικείμενο βάρους έως 450 kg και η αντοχή της είναι πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ινών χάλυβα.

Ίνες πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους, επίσης γνωστή ως ίνα πολυαιθυλενίου υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, είναι η ίνα με την υψηλότερη ειδική αντοχή και ειδικό μέτρο ελαστικότητας στον κόσμο. Είναι μια ίνα που υφαίνεται από πολυαιθυλένιο με μοριακό βάρος από 1 εκατομμύριο έως 5 εκατομμύρια. Οι ίνες πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους έχουν κυρίως τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Υψηλή ειδική αντοχή και υψηλό ειδικό μέτρο ελαστικότητας. Η ειδική αντοχή του είναι περισσότερο από δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλύβδινου σύρματος της ίδιας διατομής και το ειδικό μέτρο ελαστικότητάς του είναι δεύτερο μόνο σε σχέση με τις ειδικές ίνες άνθρακα. Συνήθως, το μοριακό του βάρος είναι μεγαλύτερο από 10, με αντοχή σε εφελκυσμό 3,5 GPa, μέτρο ελαστικότητας 116 GPa και επιμήκυνση 3,4%.

2. Χαμηλή πυκνότητα. Η πυκνότητά του είναι γενικά 0,97~0,98 g/cm³, επιτρέποντάς του να επιπλέει στο νερό.

3. Χαμηλή επιμήκυνση κατά τη θραύση. Έχει ισχυρή ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, εξαιρετική αντοχή σε κρούσεις και κοψίματα, εξαιρετική αντοχή στις καιρικές συνθήκες και είναι ανθεκτικό στις υπεριώδεις ακτίνες, τα νετρόνια και τις ακτίνες γάμμα. Διαθέτει επίσης υψηλή ειδική απορρόφηση ενέργειας, χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, υψηλή διαπερατότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και αντοχή στη χημική διάβρωση, καθώς και καλή αντοχή στη φθορά και μεγάλη διάρκεια ζωής σε κάμψη.

Οι ίνες πολυαιθυλενίου διαθέτουν πολλές ανώτερες ιδιότητες, γεγονός που καταδεικνύει ένα σημαντικό πλεονέκτημα στηνοπτικές ίνες υψηλής απόδοσηςαγορά. Από τις γραμμές πρόσδεσης σε υπεράκτια πετρελαιοπηγές έως τα υψηλής απόδοσης ελαφριά σύνθετα υλικά, παρουσιάζει τεράστια πλεονεκτήματα στον σύγχρονο πόλεμο, καθώς και στους τομείς της αεροπορίας, της αεροδιαστημικής και της ναυτιλίας, παίζοντας κρίσιμο ρόλο στον αμυντικό εξοπλισμό και σε άλλους τομείς.