správy

Vnútorná vrstva tlakovej nádoby z vlákien je primárne obkladová konštrukcia, ktorej hlavnou funkciou je pôsobiť ako tesniaca bariéra, ktorá zabraňuje úniku vysokotlakového plynu alebo kvapaliny uloženej vo vnútri, a zároveň chráni vonkajšiu vrstvu z vlákien. Táto vrstva nie je korodovaná vnútorne uloženým materiálom a vonkajšia vrstva je vrstva z vlákien vystužená živicou, ktorá sa používa hlavne na prenášanie väčšiny tlakového zaťaženia vo vnútri tlakovej nádoby.

Štruktúra tlakovej nádoby z vlákien: Tlakové nádoby z kompozitných materiálov sa dodávajú v štyroch konštrukčných tvaroch: valcové, guľové, prstencové a obdĺžnikové. Kruhová nádoba pozostáva z valcovej časti a dvoch dn. Kovové tlakové nádoby sa vyrábajú v jednoduchých tvaroch s rezervami pevnosti v axiálnom smere. Pod vnútorným tlakom sú pozdĺžne a laterálne napätia guľovej nádoby rovnaké a predstavujú polovicu obvodového napätia valcovej nádoby. Kovové materiály majú rovnakú pevnosť vo všetkých smeroch; preto sú guľové kovové nádoby navrhnuté pre rovnakú pevnosť a majú minimálnu hmotnosť pre daný objem a tlak. Stav napätia guľovej nádoby je ideálny a stenu nádoby je možné vyrobiť čo najtenšiu. Vzhľadom na väčšiu náročnosť výroby guľových nádob sa však vo všeobecnosti používajú iba v špeciálnych aplikáciách, ako sú kozmické lode. Prstencové nádoby sú v priemyselnej výrobe zriedkavé, ale ich konštrukcia je stále potrebná v určitých špecifických situáciách. Napríklad kozmické lode využívajú túto špeciálnu konštrukciu na plné využitie obmedzeného priestoru. Obdĺžnikové nádoby sa používajú hlavne na maximalizáciu využitia priestoru, keď je priestor obmedzený, ako sú obdĺžnikové cisternové vozne pre automobily a železničné cisternové vozne. Tieto nádoby sú vo všeobecnosti nízkotlakové alebo atmosférické tlakové nádoby a uprednostňujú sa ľahšie.

Zložitosť štruktúry tlakových nádob z kompozitných materiálov, náhle zmeny koncových uzáverov a ich hrúbky a premenlivá hrúbka a uhol koncových uzáverov prinášajú mnoho ťažkostí pri navrhovaní, analýze, výpočte a formovaní. Tlakové nádoby z kompozitných materiálov niekedy vyžadujú nielen navíjanie v rôznych uhloch a rýchlostných pomeroch v koncových uzáveroch, ale aj rôzne metódy navíjania v závislosti od konštrukcie. Súčasne je potrebné zohľadniť vplyv praktických faktorov, ako je koeficient trenia. Preto iba správny a rozumný konštrukčný návrh môže správne riadiť proces výroby navíjania.kompozitný materiáltlakové nádoby, čím sa vyrábajú ľahké kompozitné tlakové nádoby, ktoré spĺňajú konštrukčné požiadavky.

Materiály pre tlakové nádoby vinuté vláknami

Vláknitá vrstva ako hlavný nosný komponent musí mať vysokú pevnosť, vysoký modul pružnosti, nízku hustotu, tepelnú stabilitu, dobrú zmáčateľnosť živicou, dobrú spracovateľnosť navíjania a rovnomernú tesnosť zväzku vlákien. Medzi bežne používané výstužné vláknité materiály pre ľahké kompozitné tlakové nádoby patria uhlíkové vlákna, PBO vlákna, aramidové vlákna a polyetylénové vlákna s ultravysokou molekulovou hmotnosťou.

Uhlíkové vláknoje vláknitý uhlíkový materiál, ktorého hlavnou zložkou je uhlík. Vzniká karbonizáciou organických prekurzorov vlákien pri vysokých teplotách a je to vysokovýkonný vláknitý materiál s obsahom uhlíka presahujúcim 95 %. Uhlíkové vlákno má vynikajúce vlastnosti a jeho výskum sa začal pred viac ako 100 rokmi. Je to vysokopevnostný, vysokomodulový a nízkohustotný vysokovýkonný navíjaný vláknitý materiál, ktorý sa vyznačuje najmä nasledujúcimi vlastnosťami:

1. Nízka hustota a nízka hmotnosť. Hustota uhlíkových vlákien je 1,7 ~ 2 g/cm³, čo zodpovedá 1/4 hustoty ocele a 1/2 hustote hliníkovej zliatiny.

2. Vysoká pevnosť a vysoký modul pružnosti: Jeho pevnosť je 4-5-krát vyššia ako u ocele a jeho modul pružnosti je 5-6-krát vyšší ako u hliníkových zliatin, pričom vykazuje absolútnu elastickú návratnosť (Zhang Eryong a Sun Yan, 2020). Pevnosť v ťahu a modul pružnosti uhlíkových vlákien môžu dosiahnuť 3500-6300 MPa a 230-700 GPa.

3. Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti: Tepelná vodivosť uhlíkových vlákien klesá so zvyšujúcou sa teplotou, vďaka čomu sú odolné voči rýchlemu ochladzovaniu a zahrievaniu. Nepraskajú ani po ochladení z niekoľkých tisíc stupňov Celzia na izbovú teplotu a neroztavia sa ani nezmäknú v neoxidačnej atmosfére pri teplote 3000 ℃; nekrehnú pri kvapalných teplotách.

4. Dobrá odolnosť proti korózii: Uhlíkové vlákno je inertné voči kyselinám a odoláva silným kyselinám, ako je koncentrovaná kyselina chlorovodíková a kyselina sírová. Okrem toho majú kompozity z uhlíkových vlákien aj vlastnosti, ako je odolnosť voči žiareniu, dobrá chemická stabilita, schopnosť absorbovať toxické plyny a moderovanie neutrónov, vďaka čomu sú široko použiteľné v leteckom priemysle, vojenskom priemysle a mnohých ďalších oblastiach.

Aramid, organické vlákno syntetizované z aromatických polyftalamidov, sa objavilo koncom 60. rokov 20. storočia. Jeho hustota je nižšia ako hustota uhlíkových vlákien. Má vysokú pevnosť, vysoký prieťažnosť, dobrú odolnosť voči nárazu, dobrú chemickú stabilitu a tepelnú odolnosť a jeho cena je len polovičná v porovnaní s uhlíkovými vláknami.Aramidové vláknamajú hlavne nasledujúce vlastnosti:

1. Dobré mechanické vlastnosti. Aramidové vlákno je flexibilný polymér s vyššou pevnosťou v ťahu ako bežné polyestery, bavlna a nylon. Má väčšiu prieťažnosť, je mäkký na dotyk a dobrú spriadateľnosť, čo umožňuje jeho výrobu do vlákien rôznej jemnosti a dĺžky.

2. Vynikajúca samozhášacia a tepelná odolnosť. Aramid má limitný kyslíkový index vyšší ako 28, takže po odstránení z plameňa ďalej nehoří. Má dobrú tepelnú stabilitu, možno ho používať nepretržite pri 205 ℃ a zachováva si vysokú pevnosť aj pri teplotách nad 205 ℃. Zároveň majú aramidové vlákna vysokú teplotu rozkladu, zachovávajú si vysokú pevnosť aj pri vysokých teplotách a začínajú karbonizovať až pri teplotách nad 370 ℃.

3. Stabilné chemické vlastnosti. Aramidové vlákna vykazujú vynikajúcu odolnosť voči väčšine chemikálií, odolávajú väčšine vysokých koncentrácií anorganických kyselín a majú dobrú odolnosť voči zásadám pri izbovej teplote.

4. Vynikajúce mechanické vlastnosti. Má vynikajúce mechanické vlastnosti, ako je ultra vysoká pevnosť, vysoký modul pružnosti a nízka hmotnosť. Jeho pevnosť je 5-6-krát väčšia ako u oceľového drôtu, modul pružnosti je 2-3-krát väčší ako u oceľového drôtu alebo sklenených vlákien, jeho húževnatosť je dvojnásobná ako u oceľového drôtu a jeho hmotnosť je iba 1/5 hmotnosti oceľového drôtu. Aromatické polyamidové vlákna sú už dlho široko používané vysokovýkonné vláknité materiály, vhodné predovšetkým pre tlakové nádoby v leteckom priemysle a letectve s prísnymi požiadavkami na kvalitu a tvar.

Vlákno PBO bolo vyvinuté v Spojených štátoch v 80. rokoch 20. storočia ako výstužný materiál pre kompozitné materiály určené pre letecký priemysel. Je to jeden z najsľubnejších členov rodiny polyamidov obsahujúcich heterocyklické aromatické zlúčeniny a je známe ako supervlákno 21. storočia. Vlákno PBO má vynikajúce fyzikálne a chemické vlastnosti; jeho pevnosť, modul pružnosti a tepelná odolnosť patria medzi najlepšie zo všetkých vlákien. Okrem toho má vlákno PBO vynikajúcu odolnosť proti nárazu, odolnosť proti oderu a rozmerovú stabilitu a je ľahké a flexibilné, vďaka čomu je ideálnym textilným materiálom. Vlákno PBO má nasledujúce hlavné vlastnosti:

1. Vynikajúce mechanické vlastnosti. Vysokokvalitné PBO vláknité produkty majú pevnosť 5,8 GPa a modul pružnosti 180 GPa, čo je najvyššia hodnota spomedzi existujúcich chemických vlákien.

2. Vynikajúca tepelná stabilita. Znesie teploty až do 600 ℃ s medzným indexom 68. Nehorí ani sa nezmršťuje v plameni a jeho tepelná odolnosť a retardácia horenia sú vyššie ako u akéhokoľvek iného organického vlákna.

Ako ultravysokovýkonné vlákno 21. storočia má PBO vlákno vynikajúce fyzikálne, mechanické a chemické vlastnosti. Jeho pevnosť a modul pružnosti sú dvojnásobné v porovnaní s aramidovým vláknom a má tepelnú odolnosť a samozhášavosť meta-aramidového polyamidu. Jeho fyzikálne a chemické vlastnosti úplne prevyšujú vlastnosti aramidového vlákna. PBO vlákno s priemerom 1 mm dokáže zdvihnúť predmet s hmotnosťou až 450 kg a jeho pevnosť je viac ako 10-krát väčšia ako pevnosť oceľového vlákna.

Polyetylénové vlákno s ultravysokou molekulovou hmotnosťou, tiež známe ako vysokopevnostné polyetylénové vlákno s vysokým modulom, je vlákno s najvyššou špecifickou pevnosťou a špecifickým modulom na svete. Je to vlákno spriadané z polyetylénu s molekulovou hmotnosťou od 1 milióna do 5 miliónov. Polyetylénové vlákno s ultravysokou molekulovou hmotnosťou má najmä tieto vlastnosti:

1. Vysoká špecifická pevnosť a vysoký špecifický modul. Jeho špecifická pevnosť je viac ako desaťkrát vyššia ako pevnosť oceľového drôtu rovnakého prierezu a jeho špecifický modul je druhý hneď po špeciálnych uhlíkových vláknach. Jeho molekulová hmotnosť je typicky väčšia ako 10, s pevnosťou v ťahu 3,5 GPa, modulom pružnosti 116 GPa a predĺžením 3,4 %.

2. Nízka hustota. Jeho hustota je zvyčajne 0,97 ~ 0,98 g/cm³, čo mu umožňuje plávať na vode.

3. Nízke predĺženie pri pretrhnutí. Má silnú schopnosť absorpcie energie, vynikajúcu odolnosť proti nárazu a prerezaniu, vynikajúcu odolnosť voči poveternostným vplyvom a je odolný voči ultrafialovému žiareniu, neutrónom a gama žiareniu. Má tiež vysokú špecifickú absorpciu energie, nízku dielektrickú konštantu, vysokú priepustnosť elektromagnetických vĺn a odolnosť voči chemickej korózii, ako aj dobrú odolnosť proti opotrebovaniu a dlhú životnosť v ohybe.

Polyetylénové vlákno má mnoho vynikajúcich vlastností, čo preukazuje významnú výhodu vvysokovýkonné vláknotrhu. Od kotviacich lán v pobrežných ropných poliach až po vysoko výkonné ľahké kompozitné materiály, vykazuje obrovské výhody v modernom vojnovom priemysle, ako aj v leteckom, kozmickom a námornom sektore, pričom zohráva kľúčovú úlohu v obranných zariadeniach a ďalších oblastiach.