novice

Notranja plast tlačne posode z vlakni je predvsem obloga, katere glavna funkcija je delovati kot tesnilna pregrada, ki preprečuje uhajanje plina ali tekočine pod visokim tlakom, shranjene v notranjosti, hkrati pa ščiti zunanjo plast z vlakni. Ta plast ni korodirana zaradi notranjega shranjenega materiala, zunanja plast pa je plast z vlakni, ojačana s smolo, ki se uporablja predvsem za prenašanje večine tlačne obremenitve znotraj tlačne posode.

Struktura tlačne posode z vlakni: Tlačne posode iz kompozitnih materialov so na voljo v štirih strukturnih oblikah: valjaste, okrogle, obročaste in pravokotne. Krožna posoda je sestavljena iz valjastega dela in dveh pokrovov. Kovinske tlačne posode so izdelane v preprostih oblikah, z rezervami trdnosti v aksialni smeri. Pod notranjim tlakom so vzdolžne in širinske napetosti okrogle posode enake in so polovica obodne napetosti valjaste posode. Kovinski materiali imajo enako trdnost v vseh smereh; zato so okrogle kovinske posode zasnovane za enako trdnost in imajo minimalno maso za dano prostornino in tlak. Napetostno stanje okrogle posode je idealno, stena posode pa je lahko najtanjša. Zaradi večje težavnosti izdelave okroglih posod pa se običajno uporabljajo le v posebnih aplikacijah, kot so vesoljska plovila. Obročaste posode so v industrijski proizvodnji redke, vendar je njihova struktura še vedno potrebna v določenih specifičnih situacijah. Na primer, vesoljska plovila uporabljajo to posebno strukturo za polno izrabo omejenega prostora. Pravokotne posode se uporabljajo predvsem za maksimiranje izkoriščenosti prostora, ko je prostor omejen, kot so pravokotne cisterne za avtomobile in železniške cisterne. Te posode so običajno nizkotlačne ali atmosferske, zato je prednostnejša lažja teža.

Kompleksnost strukture tlačnih posod iz kompozitnih materialov, nenadne spremembe končnih pokrovov in njihove debeline ter spremenljiva debelina in kot končnih pokrovov povzročajo številne težave pri načrtovanju, analizi, izračunu in oblikovanju. Včasih tlačne posode iz kompozitnih materialov ne zahtevajo le navijanja pod različnimi koti in hitrostnimi razmerji v končnih pokrovih, temveč zahtevajo tudi različne metode navijanja, odvisno od strukture. Hkrati je treba upoštevati vpliv praktičnih dejavnikov, kot je koeficient trenja. Zato lahko le pravilna in razumna konstrukcijska zasnova ustrezno vodi proizvodni proces navijanja.kompozitni materialtlačne posode, s čimer se proizvajajo lahke kompozitne tlačne posode, ki izpolnjujejo konstrukcijske zahteve.

Materiali za tlačne posode z navitimi vlakni

Vlaknasta plast kot glavna nosilna komponenta mora imeti visoko trdnost, visok modul, nizko gostoto, toplotno stabilnost, dobro omočljivost smole, dobro obdelavo navijanja in enakomerno tesnost snopa vlaken. Pogosto uporabljeni ojačitveni vlaknasti materiali za lahke kompozitne tlačne posode vključujejo ogljikova vlakna, PBO vlakna, aramidna vlakna in polietilenska vlakna z ultra visoko molekulsko maso.

Ogljikova vlaknaje vlaknati ogljikov material, katerega glavna sestavina je ogljik. Nastane z karbonizacijo organskih vlakenskih predhodnikov pri visokih temperaturah in je visokozmogljiv vlaknasti material z vsebnostjo ogljika več kot 95 %. Ogljikova vlakna imajo odlične lastnosti, raziskave na tem področju pa so se začele pred več kot 100 leti. Je visokotrden, visokomodulozen in nizkogostoten visokozmogljiv navit vlaknasti material, ki ga zaznamujejo predvsem naslednje lastnosti:

1. Nizka gostota in majhna teža. Gostota ogljikovih vlaken je 1,7~2 g/cm³, kar ustreza 1/4 gostote jekla in 1/2 gostote aluminijeve zlitine.

2. Visoka trdnost in visok modul: Njegova trdnost je 4–5-krat večja od jekla, njegov elastični modul pa je 5–6-krat večji od aluminijevih zlitin, kar kaže na absolutno elastično obnovitev (Zhang Eryong in Sun Yan, 2020). Natezna trdnost in elastični modul ogljikovih vlaken lahko dosežeta 3500–6300 MPa oziroma 230–700 GPa.

3. Nizek koeficient toplotnega raztezanja: Toplotna prevodnost ogljikovih vlaken se z naraščajočo temperaturo zmanjšuje, zaradi česar so odporna na hitro ohlajanje in segrevanje. Ne bodo razpokala niti po ohladitvi z več tisoč stopinj Celzija na sobno temperaturo, v neoksidativni atmosferi pri 3000 ℃ pa se ne bodo stopila ali zmehčala; pri tekočih temperaturah ne bodo postala krhka.

4. Dobra odpornost proti koroziji: Ogljikova vlakna so inertna na kisline in lahko prenesejo močne kisline, kot sta koncentrirana klorovodikova kislina in žveplova kislina. Poleg tega imajo kompoziti iz ogljikovih vlaken tudi lastnosti, kot so odpornost proti sevanju, dobra kemična stabilnost, sposobnost absorpcije strupenih plinov in moderiranje nevtronov, zaradi česar so široko uporabni v vesoljski, vojaški in mnogih drugih področjih.

Aramid, organsko vlakno, sintetizirano iz aromatskih poliftalamidov, se je pojavil v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Njegova gostota je nižja od gostote ogljikovih vlaken. Ima visoko trdnost, visok tečenje, dobro odpornost proti udarcem, dobro kemično stabilnost in toplotno odpornost, njegova cena pa je le za polovico cene ogljikovih vlaken.Aramidna vlaknaimajo predvsem naslednje značilnosti:

1. Dobre mehanske lastnosti. Aramidna vlakna so fleksibilen polimer z večjo natezno trdnostjo kot običajni poliestri, bombaž in najlon. Imajo večji raztezek, so mehki na otip in dobro predivo, kar omogoča izdelavo vlaken različne finosti in dolžine.

2. Odlična odpornost proti ognju in vročini. Aramid ima mejni kisikov indeks večji od 28, zato po odstranitvi iz plamena ne gori naprej. Ima dobro toplotno stabilnost, se lahko uporablja neprekinjeno pri 205 ℃ in ohranja visoko trdnost tudi pri temperaturah nad 205 ℃. Hkrati imajo aramidna vlakna visoko temperaturo razgradnje, ohranjajo visoko trdnost tudi pri visokih temperaturah in se začnejo ogljičiti šele pri temperaturah nad 370 ℃.

3. Stabilne kemijske lastnosti. Aramidna vlakna kažejo odlično odpornost na večino kemikalij, prenesejo večino visokih koncentracij anorganskih kislin in imajo dobro odpornost na alkalije pri sobni temperaturi.

4. Odlične mehanske lastnosti. Ima izjemne mehanske lastnosti, kot so ultra visoka trdnost, visok modul in majhna teža. Njegova trdnost je 5-6-krat večja od jeklene žice, njegov elastični modul je 2-3-krat večji od jeklene žice ali steklenih vlaken, njegova žilavost je dvakrat večja od jeklene žice, njegova teža pa je le 1/5 jeklene žice. Aromatična poliamidna vlakna so že dolgo pogosto uporabljeni visokozmogljivi vlaknasti materiali, primerni predvsem za tlačne posode v vesoljski in letalski industriji s strogimi zahtevami glede kakovosti in oblike.

PBO vlakna so bila razvita v Združenih državah Amerike v osemdesetih letih prejšnjega stoletja kot ojačitveni material za kompozitne materiale, razvite za letalsko in vesoljsko industrijo. Je eden najbolj obetavnih članov družine poliamidov, ki vsebuje heterociklične aromatske spojine, in je znano kot super vlakno 21. stoletja. PBO vlakna imajo odlične fizikalne in kemijske lastnosti; njihova trdnost, elastični modul in toplotna odpornost so med najboljšimi med vsemi vlakni. Poleg tega imajo PBO vlakna odlično odpornost proti udarcem, odpornost proti obrabi in dimenzijsko stabilnost ter so lahka in prožna, zaradi česar so idealen tekstilni material. PBO vlakna imajo naslednje glavne značilnosti:

1. Odlične mehanske lastnosti. Visokokakovostni izdelki iz vlaken PBO imajo trdnost 5,8 GPa in elastični modul 180 GPa, kar je najvišja vrednost med obstoječimi kemičnimi vlakni.

2. Odlična toplotna stabilnost. Lahko prenese temperature do 600 ℃, z mejnim indeksom 68. Ne gori ali se krči v plamenu, njegova toplotna odpornost in zaviranje gorenja pa sta višji od vseh drugih organskih vlaken.

Kot ultra visokozmogljivo vlakno 21. stoletja ima vlakno PBO izjemne fizikalne, mehanske in kemijske lastnosti. Njegova trdnost in elastični modul sta dvakrat večja od aramidnih vlaken, toplotna odpornost in ognjevarnost pa sta boljša od meta-aramidnega poliamida. Njegove fizikalne in kemijske lastnosti popolnoma presegajo lastnosti aramidnih vlaken. Vlakno PBO s premerom 1 mm lahko dvigne predmet, ki tehta do 450 kg, njegova trdnost pa je več kot 10-krat večja od jeklenih vlaken.

Polietilenska vlakna z ultra visoko molekulsko maso, znano tudi kot visoko trdnostno, visokomodularno polietilensko vlakno, je vlakno z najvišjo specifično trdnostjo in specifičnim modulom na svetu. Gre za vlakno, predeno iz polietilena z molekulsko maso od 1 milijona do 5 milijonov. Polietilenska vlakna z ultra visoko molekulsko maso imajo predvsem naslednje značilnosti:

1. Visoka specifična trdnost in visok specifični modul. Njegova specifična trdnost je več kot desetkrat večja od jeklene žice enakega prečnega prereza, njegov specifični modul pa je drugi takoj za posebnimi ogljikovimi vlakni. Običajno je njegova molekulska masa večja od 10, z natezno trdnostjo 3,5 GPa, elastičnim modulom 116 GPa in raztezkom 3,4 %.

2. Nizka gostota. Njegova gostota je običajno 0,97~0,98 g/cm³, kar mu omogoča, da plava na vodi.

3. Nizek raztezek pri pretrgu. Ima močno sposobnost absorpcije energije, odlično odpornost proti udarcem in prerezom, odlično odpornost na vremenske vplive ter je odporen na ultravijolične žarke, nevtrone in gama žarke. Ima tudi visoko specifično absorpcijo energije, nizko dielektrično konstanto, visoko prepustnost elektromagnetnih valov in odpornost proti kemični koroziji, pa tudi dobro odpornost proti obrabi in dolgo upogibno življenjsko dobo.

Polietilenska vlakna imajo številne odlične lastnosti, kar kaže na pomembno prednost privisokozmogljiva vlaknatrg. Od priveznih vrvi na naftnih poljih na morju do visokozmogljivih lahkih kompozitnih materialov kaže ogromne prednosti v sodobnem vojskovanju, pa tudi v letalstvu, vesoljski industriji in pomorstvu, kjer igra ključno vlogo pri obrambni opremi in drugih področjih.