ziņas

Šķiedru tinuma spiedtvertnes iekšējais slānis galvenokārt ir oderējuma struktūra, kuras galvenā funkcija ir darboties kā blīvējošam barjeram, lai novērstu iekšpusē uzglabātās augstspiediena gāzes vai šķidruma noplūdi, vienlaikus aizsargājot arī ārējo šķiedru tinuma slāni. Šo slāni nerūsē iekšējais uzglabātais materiāls, un ārējais slānis ir ar sveķiem pastiprināts šķiedru tinuma slānis, ko galvenokārt izmanto, lai izturētu lielāko daļu spiediena slodzes spiedtvertnē.

Šķiedru tinuma spiedtvertnes struktūra: Kompozītmateriālu spiedtvertnes galvenokārt ir četrās strukturālās formās: cilindriskas, sfēriskas, gredzenveida un taisnstūrveida. Apaļa tvertne sastāv no cilindriskas sekcijas un divām galvām. Metāla spiedtvertnes tiek ražotas vienkāršās formās ar papildu izturības rezervēm aksiālā virzienā. Iekšējā spiediena ietekmē sfēriskas tvertnes gareniskie un platuma spriegumi ir vienādi, un tas ir puse no cilindriskas tvertnes apkārtmēra sprieguma. Metāla materiāliem ir vienāda izturība visos virzienos; tāpēc sfēriskas metāla tvertnes ir paredzētas vienādai izturībai un tām ir minimālā masa noteiktam tilpumam un spiedienam. Sfēriskas tvertnes sprieguma stāvoklis ir ideāls, un tvertnes sienu var izgatavot visplānāko. Tomēr, ņemot vērā lielākās grūtības sfērisku tvertņu ražošanā, tās parasti izmanto tikai īpašos pielietojumos, piemēram, kosmosa kuģos. Gredzenveida tvertnes rūpnieciskajā ražošanā ir reti sastopamas, taču to struktūra joprojām ir nepieciešama noteiktās specifiskās situācijās. Piemēram, kosmosa kuģos tiek izmantota šī īpašā struktūra, lai pilnībā izmantotu ierobežotu telpu. Taisnstūrveida tvertnes galvenokārt tiek izmantotas, lai maksimāli palielinātu telpas izmantošanu, ja telpa ir ierobežota, piemēram, taisnstūrveida cisternas automašīnām un dzelzceļa cisternas. Šie konteineri parasti ir zema spiediena vai atmosfēras spiediena trauki, un priekšroka tiek dota vieglākam svaram.

Kompozītmateriāla spiedtvertņu struktūras sarežģītība, pēkšņas gala vāciņu un to biezuma izmaiņas, kā arī gala vāciņu mainīgais biezums un leņķis rada daudzas grūtības projektēšanā, analīzē, aprēķināšanā un formēšanā. Dažreiz kompozītmateriāla spiedtvertnēm ir nepieciešams ne tikai tinums dažādos leņķos un ātruma attiecībās gala vāciņos, bet arī dažādas tinuma metodes atkarībā no konstrukcijas. Vienlaikus jāņem vērā tādu praktisku faktoru kā berzes koeficienta ietekme. Tāpēc tikai pareizs un saprātīgs konstrukcijas projekts var pareizi vadīt tinumu ražošanas procesu.kompozītmateriālsspiedtvertnes, tādējādi ražojot vieglus kompozītmateriālu spiedtvertņu produktus, kas atbilst konstrukcijas prasībām.

Materiāli šķiedru tinumu spiedtvertnēm

Šķiedru tītajam slānim kā galvenajai slodzi nesošajai sastāvdaļai jābūt ar augstu izturību, augstu moduli, zemu blīvumu, termisko stabilitāti, labu sveķu mitrināšanas spēju, labu tinumu apstrādājamību un vienmērīgu šķiedru saišķa hermētiskumu. Vieglām kompozītmateriālu spiedtvertnēm parasti izmantotie stiegrojuma šķiedru materiāli ir oglekļa šķiedra, PBO šķiedra, aramīda šķiedra un īpaši augstas molekulmasas polietilēna šķiedra.

Oglekļa šķiedrair šķiedrains oglekļa materiāls, kura galvenā sastāvdaļa ir ogleklis. Tas veidojas, karbonizējot organisko šķiedru prekursorus augstās temperatūrās, un ir augstas veiktspējas šķiedru materiāls ar oglekļa saturu, kas pārsniedz 95%. Oglekļa šķiedrai ir izcilas īpašības, un pētījumi par to sākās pirms vairāk nekā 100 gadiem. Tas ir augstas izturības, augsta moduļa un zema blīvuma augstas veiktspējas tīta šķiedras materiāls, ko galvenokārt raksturo šādas īpašības:

1. Zems blīvums un viegls svars. Oglekļa šķiedras blīvums ir 1,7–2 g/cm³, kas atbilst 1/4 no tērauda blīvuma un 1/2 no alumīnija sakausējuma blīvuma.

2. Augsta izturība un augsts modulis: tā izturība ir 4–5 reizes lielāka nekā tēraudam, un tā elastības modulis ir 5–6 reizes lielāks nekā alumīnija sakausējumiem, uzrādot absolūtu elastības atjaunošanos (Zhang Eryong un Sun Yan, 2020). Oglekļa šķiedras stiepes izturība un elastības modulis var sasniegt attiecīgi 3500–6300 MPa un 230–700 GPa.

3. Zems termiskās izplešanās koeficients: Oglekļa šķiedras siltumvadītspēja samazinās, palielinoties temperatūrai, padarot to izturīgu pret strauju atdzišanu un karsēšanu. Tā neplaisās pat pēc atdzesēšanas no vairākiem tūkstošiem grādiem pēc Celsija līdz istabas temperatūrai, tā neizkusīs un nemīkstinās neoksidējošā atmosfērā 3000 ℃ temperatūrā; tā nekļūst trausla šķidrā temperatūrā.

4. Laba izturība pret koroziju: Oglekļa šķiedra ir inerta pret skābēm un var izturēt stipras skābes, piemēram, koncentrētu sālsskābi un sērskābi. Turklāt oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem piemīt arī tādas īpašības kā izturība pret radiāciju, laba ķīmiskā stabilitāte, spēja absorbēt toksiskas gāzes un neitronu palēnināšana, padarot tos plaši piemērojamus kosmosa, militārajā un daudzās citās jomās.

Aramīds, organiska šķiedra, kas sintezēta no aromātiskiem poliftalamīdiem, parādījās 20. gs. sešdesmito gadu beigās. Tā blīvums ir zemāks nekā oglekļa šķiedrai. Tam ir augsta izturība, augsta ražība, laba triecienizturība, laba ķīmiskā stabilitāte un karstumizturība, un tā cena ir tikai puse no oglekļa šķiedras cenas.Aramīda šķiedrasgalvenokārt ir šādas īpašības:

1. Labas mehāniskās īpašības. Aramīda šķiedra ir elastīgs polimērs ar augstāku stiepes izturību nekā parastajiem poliesteriem, kokvilnai un neilonam. Tai ir lielāka stiepes izturība, mīksta sajūta rokai un laba vērpjamība, kas ļauj to izgatavot dažāda smalkuma un garuma šķiedrās.

2. Lielisks liesmas slāpētājs un karstumizturīgs. Aramīda robežskābekļa indekss ir lielāks par 28, tāpēc tas neturpina degt pēc izņemšanas no liesmas. Tam ir laba termiskā stabilitāte, to var nepārtraukti izmantot 205 ℃ temperatūrā un tas saglabā augstu izturību pat temperatūrā virs 205 ℃. Vienlaikus aramīda šķiedrām ir augsta sadalīšanās temperatūra, tās saglabā augstu izturību pat augstā temperatūrā un sāk karbonizēties tikai temperatūrā virs 370 ℃.

3. Stabilas ķīmiskās īpašības. Aramīda šķiedrām ir lieliska izturība pret lielāko daļu ķīmisko vielu, tās var izturēt lielāko daļu neorganisko skābju koncentrāciju un tām ir laba izturība pret sārmiem istabas temperatūrā.

4. Izcilas mehāniskās īpašības. Tam piemīt izcilas mehāniskās īpašības, piemēram, īpaši augsta izturība, augsts modulis un mazs svars. Tā izturība ir 5–6 reizes lielāka nekā tērauda stieplei, elastības modulis ir 2–3 reizes lielāks nekā tērauda stieplei vai stikla šķiedrai, tā stingrība ir divreiz lielāka nekā tērauda stieplei, un tā svars ir tikai 1/5 no tērauda stieples svara. Aromātiskās poliamīda šķiedras jau sen ir plaši izmantoti augstas veiktspējas šķiedru materiāli, kas galvenokārt piemēroti kosmosa un aviācijas spiedtvertnēm ar stingrām kvalitātes un formas prasībām.

PBO šķiedra tika izstrādāta Amerikas Savienotajās Valstīs 20. gs. astoņdesmitajos gados kā armatūras materiāls kompozītmateriāliem, kas paredzēti kosmosa rūpniecībai. Tā ir viena no daudzsološākajām poliamīdu saimes sastāvdaļām, kas satur heterocikliskos aromātiskos savienojumus, un ir pazīstama kā 21. gadsimta superšķiedra. PBO šķiedrai piemīt izcilas fizikālās un ķīmiskās īpašības; tās izturība, elastības modulis un karstumizturība ir vienas no labākajām starp visām šķiedrām. Turklāt PBO šķiedrai ir lieliska triecienizturība, nodilumizturība un izmēru stabilitāte, tā ir viegla un elastīga, padarot to par ideālu tekstilmateriālu. PBO šķiedrai ir šādas galvenās īpašības:

1. Izcilas mehāniskās īpašības. Augstas klases PBO šķiedru izstrādājumiem ir izturība 5,8 GPa un elastības modulis 180 GPa, kas ir augstākais rādītājs starp esošajām ķīmiskajām šķiedrām.

2. Lieliska termiskā stabilitāte. Tā var izturēt temperatūru līdz 600 ℃, ar robežindeksu 68. Tā nedeg un nesaraujas liesmā, un tās karstumizturība un liesmas aizkavēšana ir augstāka nekā jebkurai citai organiskajai šķiedrai.

Kā 21. gadsimta īpaši augstas veiktspējas šķiedra, PBO šķiedrai piemīt izcilas fizikālās, mehāniskās un ķīmiskās īpašības. Tās izturība un elastības modulis ir divreiz lielāks nekā aramīda šķiedrai, un tai piemīt meta-aramīda poliamīda karstumizturība un liesmas slāpēšana. Tās fizikālās un ķīmiskās īpašības pilnībā pārspēj aramīda šķiedras īpašības. 1 mm diametra PBO šķiedra var pacelt priekšmetu, kas sver līdz 450 kg, un tās izturība ir vairāk nekā 10 reizes lielāka nekā tērauda šķiedrai.

Īpaši augstas molekulmasas polietilēna šķiedra, kas pazīstama arī kā augstas stiprības, augsta moduļa polietilēna šķiedra, ir šķiedra ar visaugstāko īpatnējo izturību un īpatnējo moduli pasaulē. Tā ir šķiedra, kas vērpta no polietilēna ar molekulmasu no 1 miljona līdz 5 miljoniem. Ultraaugstas molekulmasas polietilēna šķiedrai galvenokārt ir šādas īpašības:

1. Augsta īpatnējā izturība un augsts īpatnējais modulis. Tā īpatnējā izturība ir vairāk nekā desmit reizes lielāka nekā tāda paša šķērsgriezuma tērauda stieplei, un tā īpatnējais modulis ir otrajā vietā aiz speciālās oglekļa šķiedras. Parasti tā molekulmasa ir lielāka par 10, stiepes izturība ir 3,5 GPa, elastības modulis ir 116 GPa un pagarinājums ir 3,4%.

2. Zems blīvums. Tā blīvums parasti ir 0,97–0,98 g/cm³, kas ļauj tam peldēt virs ūdens.

3. Zems pagarinājums pārraušanas brīdī. Tam ir spēcīga enerģijas absorbcijas spēja, lieliska triecienizturība un griešanas izturība, lieliska izturība pret laikapstākļiem, kā arī izturība pret ultravioletajiem stariem, neitroniem un gamma stariem. Tam ir arī augsta īpatnējā enerģijas absorbcija, zema dielektriskā konstante, augsta elektromagnētisko viļņu caurlaidība un izturība pret ķīmisko koroziju, kā arī laba nodilumizturība un ilgs lieces kalpošanas laiks.

Polietilēna šķiedrai piemīt daudzas izcilas īpašības, kas liecina par ievērojamām priekšrocībāmaugstas veiktspējas šķiedratirgus. Sākot ar pietauvošanās trosēm naftas atradnēs jūrā un beidzot ar augstas veiktspējas viegliem kompozītmateriāliem, tam ir milzīgas priekšrocības mūsdienu karadarbībā, kā arī aviācijas, kosmosa un jūrniecības nozarēs, spēlējot izšķirošu lomu aizsardzības aprīkojumā un citās jomās.