новини

Вътрешният слой на съд под налягане, навит с влакна, е предимно облицовъчна структура, чиято основна функция е да действа като уплътнителна бариера, за да предотврати изтичането на газ или течност под високо налягане, съхранявани вътре, като същевременно защитава външния слой, навит с влакна. Този слой не се корозира от вътрешно съхранявания материал, а външният слой е подсилен със смола слой, навит с влакна, използван главно за поемане на по-голямата част от натоварването от налягане в съда под налягане.

Структура на съд под налягане с влакнеста намотка: Съдовете под налягане от композитни материали се предлагат главно в четири структурни форми: цилиндрични, сферични, пръстеновидни и правоъгълни. Кръглият съд се състои от цилиндрична секция и два капака. Металните съдове под налягане се произвеждат в прости форми, с излишни резерви за якост в аксиална посока. Под вътрешно налягане надлъжните и широтните напрежения на сферичния съд са равни и са половината от периферното напрежение на цилиндричен съд. Металните материали имат еднаква якост във всички посоки; следователно, сферичните метални съдове са проектирани за еднаква якост и имат минимална маса за даден обем и налягане. Напрегнатото състояние на сферичния съд е идеално и стената на съда може да бъде направена възможно най-тънка. Въпреки това, поради по-голямата трудност при производството на сферични съдове, те обикновено се използват само в специални приложения, като например космически кораби. Пръстеновидните контейнери са рядкост в промишленото производство, но тяхната структура все още е необходима в определени специфични ситуации. Например, космическите кораби използват тази специална структура, за да използват пълноценно ограниченото пространство. Правоъгълните контейнери се използват главно за максимално използване на пространството, когато пространството е ограничено, като например правоъгълни цистерни за автомобили и железопътни цистерни. Тези контейнери обикновено са съдове с ниско или атмосферно налягане и се предпочита по-леко тегло.

Сложността на структурата на съдовете под налягане от композитни материали, внезапните промени в крайните капачки и тяхната дебелина, както и променливата дебелина и ъгъл на крайните капачки, създават много трудности при проектирането, анализа, изчисляването и формоването. Понякога съдовете под налягане от композитни материали не само изискват навиване под различни ъгли и съотношения на скорости в крайните капачки, но и изискват различни методи на навиване в зависимост от конструкцията. Едновременно с това трябва да се вземе предвид влиянието на практически фактори, като например коефициента на триене. Следователно, само правилният и разумен структурен дизайн може правилно да ръководи производствения процес на навиване.композитен материалсъдове под налягане, като по този начин се произвеждат леки продукти от композитни материали за съдове под налягане, които отговарят на проектните изисквания.

Материали за съдове под налягане, навити с влакна

Слоят от влакна, като основен носещ компонент, трябва да притежава висока якост, висок модул, ниска плътност, термична стабилност, добра омокряемост на смолата, добра обработваемост на навиване и равномерна стегнатост на снопа влакна. Често използваните армиращи влакнести материали за леки композитни съдове под налягане включват въглеродни влакна, PBO влакна, арамидни влакна и полиетиленови влакна с ултрависоко молекулно тегло.

Въглеродни влакнае влакнест въглероден материал, чийто основен компонент е въглеродът. Той се образува чрез карбонизиране на органични влакнести прекурсори при високи температури и е високоефективен влакнест материал със съдържание на въглерод над 95%. Въглеродните влакна имат отлични свойства, а изследванията върху тях са започнали преди повече от 100 години. Това е високоякостен, високомодулен и нископлътностен високоефективен навити влакнести материал, характеризиращ се главно със следното:

1. Ниска плътност и леко тегло. Плътността на въглеродните влакна е 1,7~2 g/cm³, което е еквивалентно на 1/4 от плътността на стоманата и 1/2 от плътността на алуминиевата сплав.

2. Висока якост и висок модул: Якостта му е 4-5 пъти по-висока от тази на стоманата, а модулът на еластичност е 5-6 пъти по-висок от този на алуминиевите сплави, показвайки абсолютно еластично възстановяване (Zhang Eryong and Sun Yan, 2020). Якостта на опън и модулът на еластичност на въглеродните влакна могат да достигнат съответно 3500-6300 MPa и 230-700 GPa.

3. Нисък коефициент на термично разширение: Топлопроводимостта на въглеродните влакна намалява с повишаване на температурата, което ги прави устойчиви на бързо охлаждане и нагряване. Те няма да се напукат дори след охлаждане от няколко хиляди градуса по Целзий до стайна температура и няма да се разтопят или омекнат в неокисляваща атмосфера при 3000℃; няма да станат крехки при течни температури.

4. Добра устойчивост на корозия: Въглеродните влакна са инертни към киселини и могат да издържат на силни киселини като концентрирана солна киселина и сярна киселина. Освен това, композитите от въглеродни влакна притежават характеристики като радиационна устойчивост, добра химическа стабилност, способност да абсорбират токсични газове и неутронна модерация, което ги прави широко приложими в аерокосмическата, военната и много други области.

Арамидът, органично влакно, синтезирано от ароматни полифталамиди, се появява в края на 60-те години на миналия век. Плътността му е по-ниска от тази на въглеродните влакна. Той притежава висока якост, висок добив, добра удароустойчивост, добра химическа стабилност и устойчивост на топлина, а цената му е само наполовина на тази на въглеродните влакна.Арамидни влакнаимат главно следните характеристики:

1. Добри механични свойства. Арамидните влакна са гъвкав полимер с по-висока якост на опън от обикновените полиестери, памук и найлон. Те имат по-голямо удължение, меко усещане и добра предаемост, което позволява да се произвеждат влакна с различна финост и дължина.

2. Отлична устойчивост на горене и топлина. Арамидът има граничен кислороден индекс по-голям от 28, така че не продължава да гори след отстраняване от пламъка. Той има добра термична стабилност, може да се използва непрекъснато при 205℃ и поддържа висока якост дори при температури над 205℃. Едновременно с това, арамидните влакна имат висока температура на разлагане, поддържайки висока якост дори при високи температури, и започват да се карбонизират едва при температури над 370℃.

3. Стабилни химични свойства. Арамидните влакна показват отлична устойчивост на повечето химикали, могат да издържат на повечето високи концентрации на неорганични киселини и имат добра устойчивост на алкали при стайна температура.

4. Отлични механични свойства. Притежава изключителни механични свойства, като свръхвисока якост, висок модул и леко тегло. Якостта му е 5-6 пъти по-голяма от тази на стоманената тел, модулът на еластичност е 2-3 пъти по-голям от този на стоманената тел или стъклените влакна, жилавостта му е два пъти по-голяма от тази на стоманената тел, а теглото му е само 1/5 от това на стоманената тел. Ароматните полиамидни влакна отдавна са широко използвани високоефективни влакнести материали, подходящи предимно за аерокосмически и авиационни съдове под налягане със строги изисквания за качество и форма.

PBO влакната са разработени в Съединените щати през 80-те години на миналия век като подсилващ материал за композитни материали, предназначени за аерокосмическата индустрия. Те са един от най-обещаващите членове на семейството полиамиди, съдържащи хетероциклични ароматни съединения, и са известни като супервлакната на 21-ви век. PBO влакната притежават отлични физични и химични свойства; тяхната здравина, модул на еластичност и устойчивост на топлина са сред най-добрите от всички влакна. Освен това, PBO влакната имат отлична устойчивост на удар, устойчивост на износване и размерна стабилност, като същевременно са леки и гъвкави, което ги прави идеален текстилен материал. PBO влакната имат следните основни характеристики:

1. Отлични механични свойства. Висококачествените PBO влакнести продукти имат якост от 5,8 GPa и модул на еластичност от 180 GPa, най-високият сред съществуващите химически влакна.

2. Отлична термична стабилност. Може да издържа на температури до 600℃, с граничен индекс от 68. Не гори и не се свива в пламък, а неговата топлоустойчивост и огнеустойчивост са по-високи от тези на всяко друго органично влакно.

Като ултрависокопроизводително влакно на 21-ви век, PBO влакното притежава изключителни физични, механични и химични свойства. Неговата здравина и модул на еластичност са два пъти по-високи от тези на арамидните влакна, а топлоустойчивостта и огнеупорността на мета-арамидния полиамид са по-високи от тези на тези на мета-арамидния полиамид. Неговите физични и химични свойства напълно превъзхождат тези на арамидните влакна. PBO влакно с диаметър 1 мм може да повдигне предмет с тегло до 450 кг, а здравината му е повече от 10 пъти по-голяма от тази на стоманените влакна.

Полиетиленово влакно с ултрависоко молекулно тегло, известно още като високоякостно, високомодулно полиетиленово влакно, е влакното с най-висока специфична якост и специфичен модул в света. Това е влакно, изпредено от полиетилен с молекулно тегло от 1 милион до 5 милиона. Полиетиленовото влакно с ултрависоко молекулно тегло има следните основни характеристики:

1. Висока специфична якост и висок специфичен модул. Специфичната му якост е повече от десет пъти по-голяма от тази на стоманена тел със същото напречно сечение, а специфичният му модул е ​​втори след специалните въглеродни влакна. Обикновено молекулното му тегло е по-голямо от 10, с якост на опън от 3,5 GPa, модул на еластичност от 116 GPa и удължение от 3,4%.

2. Ниска плътност. Плътността му обикновено е 0,97~0,98 g/cm³, което му позволява да плава по вода.

3. Ниско удължение при скъсване. Има силен капацитет за абсорбиране на енергия, отлична устойчивост на удар и срязване, отлична устойчивост на атмосферни влияния и е устойчив на ултравиолетови лъчи, неутрони и гама лъчи. Също така притежава високо специфично абсорбиране на енергия, ниска диелектрична константа, висока пропускливост на електромагнитни вълни и устойчивост на химическа корозия, както и добра износоустойчивост и дълъг живот на огъване.

Полиетиленовите влакна притежават много превъзходни свойства, демонстрирайки значително предимство ввисокопроизводителни влакнапазар. От швартови въжета в офшорни нефтени находища до високоефективни леки композитни материали, той показва огромни предимства в съвременната война, както и в авиационния, аерокосмическия и морския сектор, играейки ключова роля в отбранителното оборудване и други области.