новости

Внутренний слой сосуда высокого давления, изготовленного из намотанного волокна, представляет собой, прежде всего, футеровку, основная функция которой заключается в герметизации, предотвращающей утечку газа или жидкости высокого давления, хранящихся внутри, а также в защите внешнего слоя из намотанного волокна. Этот слой не подвержен коррозии под воздействием хранимого внутри материала, а внешний слой представляет собой армированный смолой слой из намотанного волокна, который в основном используется для восприятия большей части нагрузки давления внутри сосуда высокого давления.

Конструкция сосуда высокого давления, изготовленного методом намотки волокна: Композитные сосуды высокого давления в основном бывают четырех конструктивных форм: цилиндрические, сферические, кольцевые и прямоугольные. Круглый сосуд состоит из цилиндрического сечения и двух днищ. Металлические сосуды высокого давления изготавливаются простых форм с запасом прочности в осевом направлении. Под внутренним давлением продольные и поперечные напряжения сферического сосуда равны, а окружное напряжение составляет половину напряжения цилиндрического сосуда. Металлические материалы обладают одинаковой прочностью во всех направлениях; поэтому сферические металлические сосуды проектируются с учетом одинаковой прочности и минимальной массы при заданном объеме и давлении. Напряженное состояние сферического сосуда идеально, и стенка сосуда может быть выполнена максимально тонкой. Однако из-за большей сложности изготовления сферических сосудов они, как правило, используются только в специальных областях применения, таких как космические аппараты. Контейнеры кольцеобразной формы редко встречаются в промышленном производстве, но их конструкция все же необходима в определенных специфических ситуациях. Например, космические аппараты используют эту особую конструкцию для максимального использования ограниченного пространства. Прямоугольные контейнеры в основном используются для максимального использования пространства при его ограниченности, например, прямоугольные цистерны для автомобилей и железнодорожные цистерны. Эти контейнеры, как правило, представляют собой сосуды низкого или атмосферного давления, и предпочтение отдается меньшим по весу.

Сложная конструкция сосудов высокого давления из композитных материалов, резкие изменения торцевых крышек и их толщины, а также переменная толщина и угол наклона торцевых крышек создают множество трудностей при проектировании, анализе, расчетах и ​​формовании. Иногда сосуды высокого давления из композитных материалов требуют не только намотки под разными углами и с разной скоростью на торцевых крышках, но и различных методов намотки в зависимости от конструкции. Одновременно необходимо учитывать влияние практических факторов, таких как коэффициент трения. Поэтому только правильное и рациональное проектирование конструкции может должным образом направлять процесс намотки.композитный материалсосуды под давлением, что позволяет создавать легкие изделия из композитных материалов, отвечающие проектным требованиям.

Материалы для фиброармированных сосудов высокого давления

Слой, намотанный на волокна, как основной несущий элемент, должен обладать высокой прочностью, высоким модулем упругости, низкой плотностью, термической стабильностью, хорошей смачиваемостью смолой, хорошей обрабатываемостью при намотке и равномерной плотностью пучка волокон. В качестве армирующих волокон для легких композитных сосудов высокого давления обычно используются углеродное волокно, волокно PBO, арамидное волокно и волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Углеродное волокноУглеродное волокно — это волокнистый углеродный материал, основным компонентом которого является углерод. Оно образуется путем карбонизации органических волокнистых прекурсоров при высоких температурах и представляет собой высокоэффективный волокнистый материал с содержанием углерода более 95%. Углеродное волокно обладает превосходными свойствами, и исследования в этой области начались более 100 лет назад. Это высокопрочный, высокомодульный и низкоплотный высокоэффективный намотанный волокнистый материал, который в основном характеризуется следующими свойствами:

1. Низкая плотность и малый вес. Плотность углеродного волокна составляет 1,7–2 г/см³, что эквивалентно 1/4 плотности стали и 1/2 плотности алюминиевого сплава.

2. Высокая прочность и высокий модуль упругости: его прочность в 4-5 раз выше, чем у стали, а модуль упругости в 5-6 раз выше, чем у алюминиевых сплавов, что свидетельствует об абсолютном упругом восстановлении (Чжан Эрюн и Сунь Янь, 2020). Предел прочности на растяжение и модуль упругости углеродного волокна могут достигать 3500-6300 МПа и 230-700 ГПа соответственно.

3. Низкий коэффициент теплового расширения: Теплопроводность углеродного волокна уменьшается с повышением температуры, что делает его устойчивым к быстрому охлаждению и нагреву. Оно не растрескивается даже после охлаждения с нескольких тысяч градусов Цельсия до комнатной температуры, не плавится и не размягчается в неокислительной атмосфере при 3000℃; не становится хрупким при температурах жидкого состояния.

4. Хорошая коррозионная стойкость: углеродное волокно инертно к кислотам и может выдерживать воздействие сильных кислот, таких как концентрированная соляная и серная кислоты. Кроме того, композиты из углеродного волокна обладают такими характеристиками, как радиационная стойкость, хорошая химическая стабильность, способность поглощать токсичные газы и замедлять нейтронное излучение, что делает их широко применимыми в аэрокосмической, военной и многих других областях.

Арамид, органическое волокно, синтезированное из ароматических полифталамидов, появился в конце 1960-х годов. Его плотность ниже, чем у углеродного волокна. Он обладает высокой прочностью, высокой пределом текучести, хорошей ударопрочностью, хорошей химической стабильностью и термостойкостью, а его цена составляет лишь половину от цены углеродного волокна.Арамидные волокнаВ основном обладают следующими характеристиками:

1. Хорошие механические свойства. Арамидное волокно — это гибкий полимер с более высокой прочностью на разрыв, чем обычные полиэстеры, хлопок и нейлон. Оно обладает большей эластичностью, мягкостью на ощупь и хорошей прядимостью, что позволяет изготавливать из него волокна различной тонкости и длины.

2. Превосходные огнестойкие и термостойкие свойства. Арамид имеет предельный кислородный индекс более 28, поэтому он не продолжает гореть после извлечения из пламени. Он обладает хорошей термической стабильностью, может использоваться непрерывно при температуре 205℃ и сохраняет высокую прочность даже при температурах выше 205℃. Одновременно с этим, арамидные волокна имеют высокую температуру разложения, сохраняя высокую прочность даже при высоких температурах, и начинают карбонизироваться только при температурах выше 370℃.

3. Стабильные химические свойства. Арамидные волокна обладают превосходной устойчивостью к большинству химических веществ, выдерживают высокие концентрации неорганических кислот и обладают хорошей щелочестойкостью при комнатной температуре.

4. Превосходные механические свойства. Обладает выдающимися механическими свойствами, такими как сверхвысокая прочность, высокий модуль упругости и малый вес. Его прочность в 5-6 раз выше, чем у стальной проволоки, модуль упругости в 2-3 раза выше, чем у стальной проволоки или стекловолокна, ударная вязкость в два раза выше, чем у стальной проволоки, а вес составляет всего 1/5 от веса стальной проволоки. Ароматические полиамидные волокна давно широко используются в качестве высокоэффективных волокнистых материалов, в первую очередь, для сосудов высокого давления в аэрокосмической и авиационной промышленности, к которым предъявляются строгие требования к качеству и форме.

Волокно PBO было разработано в США в 1980-х годах в качестве армирующего материала для композитных материалов, предназначенных для аэрокосмической промышленности. Это один из наиболее перспективных представителей семейства полиамидов, содержащих гетероциклические ароматические соединения, и известен как суперволокно XXI века. Волокно PBO обладает превосходными физическими и химическими свойствами; его прочность, модуль упругости и термостойкость являются одними из лучших среди всех волокон. Кроме того, волокно PBO обладает отличной ударопрочностью, износостойкостью и стабильностью размеров, а также является легким и гибким, что делает его идеальным текстильным материалом. Волокно PBO имеет следующие основные характеристики:

1. Превосходные механические свойства. Высококачественные изделия из волокна PBO обладают прочностью 5,8 ГПа и модулем упругости 180 ГПа, что является самым высоким показателем среди существующих химических волокон.

2. Превосходная термостойкость. Выдерживает температуру до 600℃, с предельным индексом 68. Не горит и не сжимается при воздействии пламени, а его термостойкость и огнестойкость выше, чем у любого другого органического волокна.

Волокно PBO, являющееся сверхвысокоэффективным волокном XXI века, обладает выдающимися физическими, механическими и химическими свойствами. Его прочность и модуль упругости вдвое выше, чем у арамидного волокна, а термостойкость и огнестойкость соответствуют мета-арамидному полиамиду. Его физические и химические свойства полностью превосходят свойства арамидного волокна. Волокно PBO диаметром 1 мм способно поднять предмет весом до 450 кг, а его прочность более чем в 10 раз выше, чем у стального волокна.

Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтиленаСверхвысокомолекулярный полиэтиленовый волокно, также известный как высокопрочное, высокомодульное полиэтиленовое волокно, является волокном с самой высокой удельной прочностью и удельным модулем упругости в мире. Это волокно, получаемое из полиэтилена с молекулярной массой от 1 до 5 миллионов. Сверхвысокомолекулярный полиэтиленовый волокно в основном обладает следующими характеристиками:

1. Высокая удельная прочность и высокий удельный модуль упругости. Его удельная прочность более чем в десять раз превышает удельную прочность стальной проволоки того же сечения, а удельный модуль упругости уступает только специальному углеродному волокну. Как правило, его молекулярная масса превышает 10, предел прочности на растяжение составляет 3,5 ГПа, модуль упругости — 116 ГПа, а относительное удлинение — 3,4%.

2. Низкая плотность. Ее плотность обычно составляет 0,97–0,98 г/см³, что позволяет ей плавать на воде.

3. Низкое удлинение при разрыве. Обладает высокой энергопоглощающей способностью, превосходной ударопрочностью и режущей способностью, отличной атмосферостойкостью, а также устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, нейтронам и гамма-излучению. Кроме того, обладает высокой удельной энергопоглощающей способностью, низкой диэлектрической постоянной, высокой пропускаемостью электромагнитных волн и устойчивостью к химической коррозии, а также хорошей износостойкостью и длительным сроком службы при изгибе.

Полиэтиленовое волокно обладает множеством превосходных свойств, что демонстрирует его значительное преимущество ввысокоэффективное волокнорынок. От швартовочных тросов на морских нефтяных месторождениях до высокоэффективных легких композитных материалов, он демонстрирует огромные преимущества в современной войне, а также в авиационной, аэрокосмической и морской отраслях, играя решающую роль в оборонном оборудовании и других областях.