zprávy

Vnitřní vrstva tlakové nádoby z vláken je primárně vnější vrstva, jejíž hlavní funkcí je fungovat jako těsnicí bariéra, která zabraňuje úniku vysokotlakého plynu nebo kapaliny uloženého uvnitř, a zároveň chrání vnější vrstvu z vláken. Tato vrstva není korodována vnitřním uloženým materiálem a vnější vrstva je tvořena pryskyřicí vyztuženou vláknitou vrstvou, která se používá hlavně k přenášení většiny tlakového zatížení uvnitř tlakové nádoby.

Struktura tlakové nádoby z vláknitého vlákna: Tlakové nádoby z kompozitních materiálů se vyskytují hlavně ve čtyřech konstrukčních tvarech: válcové, kulové, prstencové a obdélníkové. Kruhová nádoba se skládá z válcové části a dvou víček. Kovové tlakové nádoby se vyrábějí v jednoduchých tvarech s nadbytečnými pevnostními rezervami v axiálním směru. Pod vnitřním tlakem jsou podélná a šířková napětí kulové nádoby stejná a představují polovinu obvodového napětí válcové nádoby. Kovové materiály mají stejnou pevnost ve všech směrech; proto jsou kulové kovové nádoby navrženy pro stejnou pevnost a mají minimální hmotnost pro daný objem a tlak. Stav napětí kulové nádoby je ideální a stěna nádoby může být vyrobena nejtenčí. Vzhledem k větší obtížnosti výroby kulových nádob se však obecně používají pouze ve speciálních aplikacích, jako jsou kosmické lodě. Kruhové nádoby jsou v průmyslové výrobě vzácné, ale jejich konstrukce je stále nezbytná v určitých specifických situacích. Například kosmické lodě využívají tuto speciální konstrukci k plnému využití omezeného prostoru. Obdélníkové nádoby se používají hlavně k maximalizaci využití prostoru, když je prostor omezený, jako jsou obdélníkové cisternové vozy pro automobily a železniční cisternové vozy. Tyto nádoby jsou obvykle nízkotlaké nebo tlakové a upřednostňují se nižší hmotnost.

Složitost struktury tlakových nádob z kompozitních materiálů, náhlé změny koncových víček a jejich tloušťky a proměnlivá tloušťka a úhel koncových víček přinášejí mnoho obtíží při návrhu, analýze, výpočtu a formování. Tlakové nádoby z kompozitních materiálů někdy nejen vyžadují navíjení v různých úhlech a rychlostních poměrech v koncových víčkách, ale také vyžadují různé metody navíjení v závislosti na konstrukci. Současně je třeba zohlednit vliv praktických faktorů, jako je koeficient tření. Proto pouze správný a rozumný konstrukční návrh může správně řídit proces výroby navíjení.kompozitní materiáltlakové nádoby, čímž se vyrábějí lehké kompozitní tlakové nádoby, které splňují konstrukční požadavky.

Materiály pro tlakové nádoby vinuté vlákny

Vláknitá vrstva, jakožto hlavní nosná složka, musí mít vysokou pevnost, vysoký modul pružnosti, nízkou hustotu, tepelnou stabilitu, dobrou smáčivost pryskyřicí, dobrou zpracovatelnost navíjením a rovnoměrnou těsnost svazku vláken. Mezi běžně používané výztužné vláknité materiály pro lehké kompozitní tlakové nádoby patří uhlíková vlákna, PBO vlákna, aramidová vlákna a polyethylenová vlákna s ultravysokou molekulovou hmotností.

Uhlíková vláknaje vláknitý uhlíkový materiál, jehož hlavní složkou je uhlík. Vzniká karbonizací organických prekurzorů vláken za vysokých teplot a jedná se o vysoce výkonný vláknitý materiál s obsahem uhlíku přesahujícím 95 %. Uhlíková vlákna mají vynikající vlastnosti a jejich výzkum začal před více než 100 lety. Jedná se o vysoce pevný, vysoce modulovaný a nízkohustotní vysoce výkonný navíjený vláknitý materiál, který se vyznačuje především následujícími vlastnostmi:

1. Nízká hustota a nízká hmotnost. Hustota uhlíkových vláken je 1,7~2 g/cm³, což odpovídá 1/4 hustoty oceli a 1/2 hustoty hliníkové slitiny.

2. Vysoká pevnost a vysoký modul pružnosti: Jeho pevnost je 4–5krát vyšší než u oceli a jeho modul pružnosti je 5–6krát vyšší než u hliníkových slitin, což vykazuje absolutní elastické zotavení (Zhang Eryong a Sun Yan, 2020). Pevnost v tahu a modul pružnosti uhlíkových vláken mohou dosáhnout 3500–6300 MPa, respektive 230–700 GPa.

3. Nízký koeficient tepelné roztažnosti: Tepelná vodivost uhlíkových vláken klesá se zvyšující se teplotou, takže jsou odolná vůči rychlému ochlazování a zahřívání. Nepraskají ani po ochlazení z několika tisíc stupňů Celsia na pokojovou teplotu a netaví se ani nezměknou v neoxidační atmosféře při 3000 °C; nekřehnou při kapalných teplotách.

4. Dobrá odolnost proti korozi: Uhlíková vlákna jsou inertní vůči kyselinám a odolávají silným kyselinám, jako je koncentrovaná kyselina chlorovodíková a kyselina sírová. Kompozity z uhlíkových vláken navíc disponují vlastnostmi, jako je radiační odolnost, dobrá chemická stabilita, schopnost absorbovat toxické plyny a moderování neutronů, což je činí široce použitelnými v leteckém, vojenském a mnoha dalších oblastech.

Aramid, organické vlákno syntetizované z aromatických polyftalamidů, se objevilo koncem 60. let 20. století. Jeho hustota je nižší než hustota uhlíkových vláken. Má vysokou pevnost, vysokou mez, dobrou odolnost proti nárazu, dobrou chemickou stabilitu a tepelnou odolnost a jeho cena je pouze poloviční oproti uhlíkovým vláknům.Aramidová vláknamají hlavně následující vlastnosti:

1. Dobré mechanické vlastnosti. Aramidové vlákno je pružný polymer s vyšší pevností v tahu než běžné polyestery, bavlna a nylon. Má větší prodloužení, je měkký na dotek a dobrou spřádatelnost, což umožňuje jeho výrobu vláken různé jemnosti a délky.

2. Vynikající zpomalovač hoření a tepelná odolnost. Aramid má limitní kyslíkový index vyšší než 28, takže po vyjmutí z plamene nehoří. Má dobrou tepelnou stabilitu, lze jej používat nepřetržitě při 205 °C a zachovává si vysokou pevnost i při teplotách nad 205 °C. Zároveň mají aramidová vlákna vysokou teplotu rozkladu, zachovávají si vysokou pevnost i při vysokých teplotách a začínají karbonizovat až při teplotách nad 370 °C.

3. Stabilní chemické vlastnosti. Aramidová vlákna vykazují vynikající odolnost vůči většině chemikálií, odolávají většině vysokých koncentrací anorganických kyselin a mají dobrou odolnost vůči alkáliím při pokojové teplotě.

4. Vynikající mechanické vlastnosti. Má vynikající mechanické vlastnosti, jako je ultra vysoká pevnost, vysoký modul pružnosti a nízká hmotnost. Jeho pevnost je 5–6krát větší než u ocelového drátu, modul pružnosti je 2–3krát větší než u ocelového drátu nebo skleněného vlákna, jeho houževnatost je dvojnásobná oproti ocelovému drátu a jeho hmotnost je pouze 1/5 hmotnosti ocelového drátu. Aromatická polyamidová vlákna jsou již dlouho široce používanými vysoce výkonnými vláknitými materiály, vhodnými především pro tlakové nádoby v leteckém průmyslu a letectví s přísnými požadavky na kvalitu a tvar.

Vlákno PBO bylo vyvinuto ve Spojených státech v 80. letech 20. století jako výztužný materiál pro kompozitní materiály určené pro letecký a kosmický průmysl. Je jedním z nejslibnějších členů rodiny polyamidů obsahujících heterocyklické aromatické sloučeniny a je známé jako supervlákno 21. století. Vlákno PBO má vynikající fyzikální a chemické vlastnosti; jeho pevnost, modul pružnosti a tepelná odolnost patří k nejlepším ze všech vláken. Vlákno PBO má navíc vynikající odolnost proti nárazu, odolnost proti oděru a rozměrovou stabilitu a je lehké a pružné, což z něj činí ideální textilní materiál. Vlákno PBO má následující hlavní vlastnosti:

1. Vynikající mechanické vlastnosti. Vysoce kvalitní PBO vlákna mají pevnost 5,8 GPa a modul pružnosti 180 GPa, což je nejvyšší hodnota mezi existujícími chemickými vlákny.

2. Vynikající tepelná stabilita. Odolává teplotám až 600 °C s mezním indexem 68. Nehoří ani se nesmršťuje v plameni a jeho tepelná odolnost a zpomalení hoření jsou vyšší než u jakéhokoli jiného organického vlákna.

Jakožto ultravysoce výkonné vlákno 21. století disponuje vlákno PBO vynikajícími fyzikálními, mechanickými a chemickými vlastnostmi. Jeho pevnost a modul pružnosti jsou dvojnásobné oproti aramidovému vláknu a má tepelnou odolnost a nehořlavost meta-aramidového polyamidu. Jeho fyzikální a chemické vlastnosti zcela převyšují vlastnosti aramidového vlákna. Vlákno PBO o průměru 1 mm dokáže zvednout předmět o hmotnosti až 450 kg a jeho pevnost je více než 10krát větší než pevnost ocelového vlákna.

Polyethylenová vlákna s ultravysokou molekulovou hmotností, také známé jako vysokopevnostní polyethylenové vlákno s vysokým modulem, je vlákno s nejvyšší specifickou pevností a specifickým modulem na světě. Jedná se o vlákno spředené z polyethylenu s molekulovou hmotností 1 milion až 5 milionů. Polyethylenové vlákno s ultravysokou molekulovou hmotností má především následující vlastnosti:

1. Vysoká specifická pevnost a vysoký specifický modul. Jeho specifická pevnost je více než desetkrát větší než u ocelového drátu stejného průřezu a jeho specifický modul je druhý hned po speciálním uhlíkovém vláknu. Jeho molekulová hmotnost je typicky větší než 10, s pevností v tahu 3,5 GPa, modulem pružnosti 116 GPa a prodloužením 3,4 %.

2. Nízká hustota. Jeho hustota je obvykle 0,97~0,98 g/cm³, což mu umožňuje plavat na vodě.

3. Nízké prodloužení při přetržení. Má silnou schopnost absorpce energie, vynikající odolnost proti nárazu a prořezání, vynikající odolnost proti povětrnostním vlivům a je odolný vůči ultrafialovému záření, neutronům a gama záření. Má také vysokou specifickou absorpci energie, nízkou dielektrickou konstantu, vysokou propustnost elektromagnetických vln a odolnost vůči chemické korozi, stejně jako dobrou odolnost proti opotřebení a dlouhou životnost v ohybu.

Polyethylenová vlákna mají mnoho vynikajících vlastností, což prokazuje významnou výhodu vvysoce výkonné vláknotrhu. Od kotevních lan v ropných polích na moři až po vysoce výkonné lehké kompozitní materiály vykazuje obrovské výhody v moderním válčení, stejně jako v letectví, kosmonautice a námořním sektoru, kde hraje klíčovou roli v obranném vybavení a dalších oblastech.