nieuws

De binnenste laag van een vezelversterkt drukvat is voornamelijk een bekledingsstructuur, waarvan de belangrijkste functie is om als afdichtingsbarrière te fungeren en lekkage van het opgeslagen hogedrukgas of de opgeslagen vloeistof te voorkomen, terwijl deze tevens de buitenste vezelversterkte laag beschermt. Deze laag wordt niet aangetast door het intern opgeslagen materiaal, en de buitenste laag is een met hars versterkte vezelversterkte laag, die hoofdzakelijk dient om het grootste deel van de drukbelasting in het drukvat op te vangen.

De structuur van een vezelversterkt drukvat: Drukvaten van composietmateriaal zijn er hoofdzakelijk in vier structurele vormen: cilindrisch, bolvormig, ringvormig en rechthoekig. Een cirkelvormig vat bestaat uit een cilindrisch gedeelte en twee bodems. Metalen drukvaten worden vervaardigd in eenvoudige vormen, met extra sterkte in de axiale richting. Onder interne druk zijn de longitudinale en laterale spanningen van een bolvormig vat gelijk, en de omtrekspanning is de helft van die van een cilindrisch vat. Metalen materialen hebben een gelijke sterkte in alle richtingen; daarom zijn bolvormige metalen vaten ontworpen voor een gelijke sterkte en een minimale massa voor een gegeven volume en druk. De spanningstoestand van een bolvormig vat is ideaal en de vatwand kan zo dun mogelijk worden gemaakt. Vanwege de grotere moeilijkheid bij de productie van bolvormige vaten worden ze echter over het algemeen alleen gebruikt in speciale toepassingen, zoals ruimtevaartuigen. Ringvormige containers komen zelden voor in de industriële productie, maar hun structuur is nog steeds noodzakelijk in bepaalde specifieke situaties. Ruimtevaartuigen gebruiken deze speciale structuur bijvoorbeeld om de beperkte ruimte optimaal te benutten. Rechthoekige containers worden vooral gebruikt om de ruimte optimaal te benutten wanneer de beschikbare ruimte beperkt is, zoals rechthoekige tankwagons voor auto's en tankwagons voor spoorwegen. Deze containers zijn over het algemeen geschikt voor lage druk of atmosferische druk, en een laag gewicht heeft de voorkeur.

De complexiteit van de structuur van composietdrukvaten, de abrupte veranderingen in de eindkappen en hun dikte, en de variabele dikte en hoek van de eindkappen brengen veel moeilijkheden met zich mee bij het ontwerpen, analyseren, berekenen en vormen. Soms vereisen composietdrukvaten niet alleen wikkelingen onder verschillende hoeken en met verschillende snelheden in de eindkappen, maar ook verschillende wikkelmethoden, afhankelijk van de structuur. Tegelijkertijd moet rekening worden gehouden met praktische factoren zoals de wrijvingscoëfficiënt. Daarom kan alleen een correct en redelijk constructief ontwerp het wikkelproces van de drukvaten op de juiste manier begeleiden.composietmateriaaldrukvaten, waardoor lichtgewicht drukvaten van composietmateriaal worden geproduceerd die aan de ontwerpvereisten voldoen.

Materialen voor vezelversterkte drukvaten

De vezelversterkte laag, als belangrijkste dragende component, moet een hoge sterkte, hoge elasticiteitsmodulus, lage dichtheid, thermische stabiliteit, goede harsbevochtigbaarheid, goede verwerkbaarheid en een uniforme vezelbundeldichtheid bezitten. Veelgebruikte versterkende vezelmaterialen voor lichtgewicht composietdrukvaten zijn onder andere koolstofvezel, PBO-vezel, aramidevezel en polyethyleenvezel met ultrahoge moleculaire massa.

KoolstofvezelKoolstofvezel is een vezelachtig koolstofmateriaal waarvan koolstof het hoofdbestanddeel is. Het wordt gevormd door het carboniseren van organische vezelvoorlopers bij hoge temperaturen en is een hoogwaardig vezelmateriaal met een koolstofgehalte van meer dan 95%. Koolstofvezel heeft uitstekende eigenschappen en het onderzoek ernaar begon meer dan 100 jaar geleden. Het is een zeer sterk, zeer elastisch en lichtgewicht, hoogwaardig vezelmateriaal, dat hoofdzakelijk wordt gekenmerkt door de volgende eigenschappen:

1. Lage dichtheid en laag gewicht. De dichtheid van koolstofvezel is 1,7~2 g/cm³, wat overeenkomt met een kwart van de dichtheid van staal en de helft van de dichtheid van een aluminiumlegering.

2. Hoge sterkte en hoge elasticiteitsmodulus: De sterkte is 4-5 keer hoger dan die van staal, en de elasticiteitsmodulus is 5-6 keer hoger dan die van aluminiumlegeringen, met een absoluut elastisch herstelvermogen (Zhang Eryong en Sun Yan, 2020). De treksterkte en elasticiteitsmodulus van koolstofvezel kunnen respectievelijk 3500-6300 MPa en 230-700 GPa bereiken.

3. Lage thermische uitzettingscoëfficiënt: De thermische geleidbaarheid van koolstofvezel neemt af met toenemende temperatuur, waardoor het bestand is tegen snelle afkoeling en opwarming. Het zal niet barsten, zelfs niet na afkoeling van enkele duizenden graden Celsius tot kamertemperatuur, en het zal niet smelten of verzachten in een niet-oxiderende atmosfeer bij 3000 °C; het zal niet bros worden bij vloeibare temperaturen.

4. Goede corrosiebestendigheid: Koolstofvezel is inert ten opzichte van zuren en kan sterke zuren zoals geconcentreerd zoutzuur en zwavelzuur weerstaan. Bovendien bezitten koolstofvezelcomposieten eigenschappen zoals stralingsbestendigheid, goede chemische stabiliteit, het vermogen om giftige gassen te absorberen en neutronenmoderatie, waardoor ze breed toepasbaar zijn in de lucht- en ruimtevaart, het leger en vele andere sectoren.

Aramide, een organische vezel gesynthetiseerd uit aromatische polyftalamiden, ontstond eind jaren zestig. De dichtheid ervan is lager dan die van koolstofvezel. Het heeft een hoge sterkte, een hoge vloeigrens, een goede slagvastheid, een goede chemische stabiliteit en hittebestendigheid, en de prijs is slechts de helft van die van koolstofvezel.Aramidevezelshebben hoofdzakelijk de volgende kenmerken:

1. Goede mechanische eigenschappen. Aramidevezel is een flexibel polymeer met een hogere treksterkte dan gewone polyesters, katoen en nylon. Het heeft een grotere rekbaarheid, voelt zacht aan en is goed spinbaar, waardoor er vezels van verschillende fijnheid en lengte van gemaakt kunnen worden.

2. Uitstekende vlamvertragende en hittebestendige eigenschappen. Aramide heeft een grenswaarde voor de zuurstofindex van meer dan 28, waardoor het niet verder brandt nadat het uit een vlam is verwijderd. Het heeft een goede thermische stabiliteit, kan continu worden gebruikt bij 205℃ en behoudt een hoge sterkte, zelfs bij temperaturen boven 205℃. Tegelijkertijd hebben aramidevezels een hoge ontledingstemperatuur, waardoor ze zelfs bij hoge temperaturen een hoge sterkte behouden en pas beginnen te carboniseren bij temperaturen boven 370℃.

3. Stabiele chemische eigenschappen. Aramidevezels vertonen een uitstekende weerstand tegen de meeste chemicaliën, kunnen de meeste hoge concentraties anorganische zuren weerstaan ​​en hebben een goede alkalibestendigheid bij kamertemperatuur.

4. Uitstekende mechanische eigenschappen. Het materiaal bezit uitzonderlijke mechanische eigenschappen, zoals een extreem hoge sterkte, een hoge elasticiteitsmodulus en een laag gewicht. De sterkte is 5-6 keer zo hoog als die van staaldraad, de elasticiteitsmodulus is 2-3 keer zo hoog als die van staaldraad of glasvezel, de taaiheid is twee keer zo hoog als die van staaldraad en het gewicht is slechts 1/5 van dat van staaldraad. Aromatische polyamidevezels worden al lange tijd veelvuldig gebruikt als hoogwaardige vezelmaterialen, met name geschikt voor drukvaten in de lucht- en ruimtevaart met strenge eisen aan kwaliteit en vorm.

PBO-vezel werd in de jaren 80 in de Verenigde Staten ontwikkeld als versterkingsmateriaal voor composietmaterialen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het is een van de meest veelbelovende leden van de polyamidefamilie met heterocyclische aromatische verbindingen en staat bekend als de supervezel van de 21e eeuw. PBO-vezel bezit uitstekende fysische en chemische eigenschappen; de sterkte, elasticiteitsmodulus en hittebestendigheid behoren tot de beste van alle vezels. Bovendien heeft PBO-vezel een uitstekende slagvastheid, slijtvastheid en vormvastheid, en is het licht en flexibel, waardoor het een ideaal textielmateriaal is. PBO-vezel heeft de volgende belangrijkste kenmerken:

1. Uitstekende mechanische eigenschappen. Hoogwaardige PBO-vezelproducten hebben een treksterkte van 5,8 GPa en een elasticiteitsmodulus van 180 GPa, de hoogste onder de bestaande chemische vezels.

2. Uitstekende thermische stabiliteit. Het is bestand tegen temperaturen tot 600℃, met een grenswaarde van 68. Het brandt niet en krimpt niet in een vlam, en de hittebestendigheid en brandvertragende eigenschappen zijn hoger dan die van elke andere organische vezel.

Als een ultrahoogwaardige vezel van de 21e eeuw bezit PBO-vezel uitzonderlijke fysische, mechanische en chemische eigenschappen. De sterkte en elasticiteitsmodulus zijn tweemaal zo hoog als die van aramidevezel, en de vezel heeft de hittebestendigheid en brandvertragende eigenschappen van meta-aramidepolyamide. De fysische en chemische eigenschappen overtreffen die van aramidevezel ruimschoots. Een PBO-vezel met een diameter van 1 mm kan een object van maximaal 450 kg tillen, en de sterkte ervan is meer dan tienmaal zo groot als die van staalvezel.

Polyethyleenvezel met ultrahoge moleculaire massaUltrahoogmoleculair polyethyleen, ook wel bekend als zeer sterke, hoogmodulaire polyethyleenvezel, is de vezel met de hoogste specifieke sterkte en specifieke modulus ter wereld. Het is een vezel die gesponnen wordt uit polyethyleen met een moleculair gewicht van 1 miljoen tot 5 miljoen. Ultrahoogmoleculair polyethyleen heeft hoofdzakelijk de volgende kenmerken:

1. Hoge soortelijke sterkte en hoge soortelijke modulus. De soortelijke sterkte is meer dan tien keer zo hoog als die van staaldraad met dezelfde doorsnede, en de soortelijke modulus is na speciale koolstofvezel de hoogste. Het molecuulgewicht is doorgaans groter dan 10, met een treksterkte van 3,5 GPa, een elasticiteitsmodulus van 116 GPa en een rek van 3,4%.

2. Lage dichtheid. De dichtheid is doorgaans 0,97 tot 0,98 g/cm³, waardoor het op water kan drijven.

3. Lage rek bij breuk. Het heeft een sterk energieabsorptievermogen, uitstekende slag- en snijweerstand, uitstekende weerbestendigheid en is bestand tegen ultraviolette straling, neutronen en gammastraling. Het beschikt ook over een hoge specifieke energieabsorptie, een lage diëlektrische constante, een hoge transmissie van elektromagnetische golven en weerstand tegen chemische corrosie, evenals een goede slijtvastheid en een lange buiglevensduur.

Polyethyleenvezel bezit vele superieure eigenschappen, wat een aanzienlijk voordeel oplevert in dehoogwaardige vezelmarkt. Van meertrossen in offshore olievelden tot hoogwaardige lichtgewicht composietmaterialen, het biedt enorme voordelen in moderne oorlogsvoering, maar ook in de luchtvaart-, ruimtevaart- en maritieme sector, en speelt een cruciale rol in defensiemateriaal en andere gebieden.