tin tức

Lớp bên trong của bình chịu áp lực dạng sợi quấn chủ yếu là một cấu trúc lót, chức năng chính là hoạt động như một lớp chắn kín để ngăn chặn sự rò rỉ của khí hoặc chất lỏng áp suất cao được lưu trữ bên trong, đồng thời bảo vệ lớp sợi quấn bên ngoài. Lớp này không bị ăn mòn bởi vật liệu được lưu trữ bên trong, và lớp bên ngoài là một lớp sợi quấn được gia cường bằng nhựa, chủ yếu được sử dụng để chịu phần lớn tải trọng áp suất bên trong bình chịu áp lực.

Cấu trúc của bình chịu áp lực quấn sợi: Bình chịu áp lực làm từ vật liệu composite chủ yếu có bốn dạng cấu trúc: hình trụ, hình cầu, hình vành khuyên và hình chữ nhật. Bình hình tròn bao gồm một phần hình trụ và hai đầu. Bình chịu áp lực bằng kim loại được chế tạo với hình dạng đơn giản, có dự trữ độ bền dư thừa theo hướng trục. Dưới áp suất bên trong, ứng suất dọc và ngang của bình hình cầu bằng nhau, và bằng một nửa ứng suất chu vi của bình hình trụ. Vật liệu kim loại có độ bền bằng nhau theo mọi hướng; do đó, bình kim loại hình cầu được thiết kế để có độ bền bằng nhau và có khối lượng tối thiểu cho một thể tích và áp suất nhất định. Trạng thái ứng suất của bình hình cầu là lý tưởng, và thành bình có thể được làm mỏng nhất. Tuy nhiên, do khó khăn hơn trong việc chế tạo bình hình cầu, chúng thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt như tàu vũ trụ. Các thùng chứa hình vành khuyên hiếm gặp trong sản xuất công nghiệp, nhưng cấu trúc của chúng vẫn cần thiết trong một số trường hợp cụ thể. Ví dụ, tàu vũ trụ sử dụng cấu trúc đặc biệt này để tận dụng tối đa không gian hạn chế. Các thùng chứa hình chữ nhật chủ yếu được sử dụng để tối đa hóa việc sử dụng không gian khi không gian bị hạn chế, chẳng hạn như toa xe bồn hình chữ nhật cho ô tô và toa xe bồn đường sắt. Các loại bình chứa này thường là bình áp suất thấp hoặc áp suất khí quyển, và trọng lượng nhẹ được ưu tiên.

Sự phức tạp của cấu trúc bình áp suất vật liệu composite, sự thay đổi đột ngột về nắp đậy và độ dày của chúng, cũng như độ dày và góc nghiêng thay đổi của nắp đậy, gây ra nhiều khó khăn trong thiết kế, phân tích, tính toán và tạo hình. Đôi khi, bình áp suất vật liệu composite không chỉ yêu cầu quấn ở các góc độ và tỷ lệ tốc độ khác nhau ở nắp đậy, mà còn yêu cầu các phương pháp quấn khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc. Đồng thời, ảnh hưởng của các yếu tố thực tế như hệ số ma sát cũng phải được xem xét. Do đó, chỉ có thiết kế cấu trúc chính xác và hợp lý mới có thể hướng dẫn đúng đắn quá trình sản xuất quấn.vật liệu tổng hợpTừ đó sản xuất ra các bình chịu áp lực làm từ vật liệu composite trọng lượng nhẹ đáp ứng các yêu cầu thiết kế.

Vật liệu cho các bình áp lực quấn sợi

Lớp sợi quấn, là thành phần chịu tải chính, phải có độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, mật độ thấp, ổn định nhiệt, khả năng thấm ướt nhựa tốt, khả năng gia công quấn tốt và độ chặt bó sợi đồng đều. Các vật liệu sợi gia cường thường được sử dụng cho các bình áp suất composite nhẹ bao gồm sợi carbon, sợi PBO, sợi aramid và sợi polyetylen trọng lượng phân tử cực cao.

Sợi carbonSợi carbon là vật liệu dạng sợi có thành phần chính là carbon. Nó được hình thành bằng cách cacbon hóa các tiền chất sợi hữu cơ ở nhiệt độ cao và là vật liệu sợi hiệu suất cao với hàm lượng carbon vượt quá 95%. Sợi carbon có các đặc tính tuyệt vời, và nghiên cứu về nó đã bắt đầu từ hơn 100 năm trước. Nó là vật liệu sợi cuộn hiệu suất cao, có độ bền cao, mô đun đàn hồi cao và mật độ thấp, chủ yếu được đặc trưng bởi các đặc điểm sau:

1. Mật độ thấp và trọng lượng nhẹ. Mật độ của sợi carbon là 1,7~2 g/cm³, tương đương với 1/4 mật độ của thép và 1/2 mật độ của hợp kim nhôm.

2. Độ bền và mô đun cao: Độ bền của nó cao hơn thép từ 4-5 lần, và mô đun đàn hồi cao hơn hợp kim nhôm từ 5-6 lần, thể hiện khả năng phục hồi đàn hồi tuyệt đối (Zhang Eryong và Sun Yan, 2020). Độ bền kéo và mô đun đàn hồi của sợi carbon có thể đạt lần lượt 3500-6300 MPa và 230-700 GPa.

3. Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Độ dẫn nhiệt của sợi carbon giảm khi nhiệt độ tăng, giúp nó chịu được quá trình làm nguội và gia nhiệt nhanh. Nó sẽ không bị nứt ngay cả sau khi làm nguội từ vài nghìn độ C xuống nhiệt độ phòng, và sẽ không bị tan chảy hoặc mềm đi trong môi trường không oxy hóa ở 3000℃; nó sẽ không trở nên giòn ở nhiệt độ lỏng.

4. Khả năng chống ăn mòn tốt: Sợi carbon trơ với axit và có thể chịu được các axit mạnh như axit clohydric đậm đặc và axit sulfuric. Hơn nữa, vật liệu composite sợi carbon còn sở hữu các đặc tính như khả năng chống bức xạ, độ ổn định hóa học tốt, khả năng hấp thụ khí độc và khả năng làm chậm neutron, giúp chúng được ứng dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, quân sự và nhiều lĩnh vực khác.

Aramid, một loại sợi hữu cơ được tổng hợp từ polyphthalamide thơm, xuất hiện vào cuối những năm 1960. Mật độ của nó thấp hơn sợi carbon. Nó có độ bền cao, năng suất cao, khả năng chống va đập tốt, độ ổn định hóa học tốt và khả năng chịu nhiệt, và giá thành chỉ bằng một nửa so với sợi carbon.Sợi AramidChủ yếu có những đặc điểm sau:

1. Tính chất cơ học tốt. Sợi aramid là một loại polymer dẻo có độ bền kéo cao hơn so với các loại polyester, bông và nylon thông thường. Nó có độ giãn dài lớn hơn, cảm giác mềm mại khi chạm vào và khả năng kéo sợi tốt, cho phép nó được tạo thành các sợi có độ mảnh và chiều dài khác nhau.

2. Khả năng chống cháy và chịu nhiệt tuyệt vời. Aramid có chỉ số oxy giới hạn lớn hơn 28, do đó nó không tiếp tục cháy sau khi được lấy ra khỏi ngọn lửa. Nó có độ ổn định nhiệt tốt, có thể được sử dụng liên tục ở 205℃ và duy trì độ bền cao ngay cả ở nhiệt độ trên 205℃. Đồng thời, sợi aramid có nhiệt độ phân hủy cao, duy trì độ bền cao ngay cả ở nhiệt độ cao và chỉ bắt đầu cacbon hóa ở nhiệt độ trên 370℃.

3. Tính chất hóa học ổn định. Sợi aramid thể hiện khả năng kháng tuyệt vời với hầu hết các hóa chất, có thể chịu được hầu hết các nồng độ cao của axit vô cơ và có khả năng kháng kiềm tốt ở nhiệt độ phòng.

4. Tính chất cơ học tuyệt vời. Nó sở hữu các tính chất cơ học vượt trội như độ bền cực cao, mô đun đàn hồi cao và trọng lượng nhẹ. Độ bền của nó gấp 5-6 lần dây thép, mô đun đàn hồi gấp 2-3 lần dây thép hoặc sợi thủy tinh, độ dẻo dai gấp đôi dây thép, và trọng lượng chỉ bằng 1/5 dây thép. Sợi polyamit thơm từ lâu đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu sợi hiệu suất cao, chủ yếu thích hợp cho các bình chịu áp lực trong ngành hàng không vũ trụ với các yêu cầu khắt khe về chất lượng và hình dạng.

Sợi PBO được phát triển tại Hoa Kỳ vào những năm 1980 như một vật liệu gia cường cho vật liệu composite được phát triển cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Đây là một trong những thành viên triển vọng nhất của họ polyamit chứa các hợp chất thơm dị vòng và được biết đến như là siêu sợi của thế kỷ 21. Sợi PBO sở hữu các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời; độ bền, mô đun đàn hồi và khả năng chịu nhiệt của nó thuộc hàng tốt nhất trong tất cả các loại sợi. Hơn nữa, sợi PBO có khả năng chống va đập, chống mài mòn và độ ổn định kích thước tuyệt vời, đồng thời nhẹ và dẻo, làm cho nó trở thành một vật liệu dệt lý tưởng. Sợi PBO có các đặc điểm chính sau:

1. Tính chất cơ học tuyệt vời. Các sản phẩm sợi PBO cao cấp có độ bền 5,8 GPa và mô đun đàn hồi 180 GPa, cao nhất trong số các loại sợi hóa học hiện có.

2. Độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Nó có thể chịu được nhiệt độ lên đến 600℃, với chỉ số giới hạn là 68. Nó không cháy hoặc co lại trong ngọn lửa, và khả năng chịu nhiệt và chống cháy của nó cao hơn bất kỳ loại sợi hữu cơ nào khác.

Là một loại sợi siêu hiệu năng của thế kỷ 21, sợi PBO sở hữu các đặc tính vật lý, cơ học và hóa học vượt trội. Độ bền và mô đun đàn hồi của nó gấp đôi so với sợi aramid, và nó có khả năng chịu nhiệt và chống cháy của polyamit meta-aramid. Các đặc tính vật lý và hóa học của nó hoàn toàn vượt trội so với sợi aramid. Một sợi PBO đường kính 1mm có thể nâng vật nặng tới 450kg, và độ bền của nó gấp hơn 10 lần so với sợi thép.

Sợi polyetylen có trọng lượng phân tử cực caoSợi polyetylen siêu trọng lượng phân tử cao, còn được gọi là sợi polyetylen cường độ cao, mô đun cao, là loại sợi có cường độ riêng và mô đun riêng cao nhất trên thế giới. Đây là loại sợi được kéo từ polyetylen có trọng lượng phân tử từ 1 triệu đến 5 triệu. Sợi polyetylen siêu trọng lượng phân tử cao chủ yếu có các đặc điểm sau:

1. Độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng cao. Độ bền riêng của nó cao hơn gấp mười lần so với dây thép cùng tiết diện, và mô đun đàn hồi chỉ đứng thứ hai sau sợi carbon đặc biệt. Thông thường, trọng lượng phân tử của nó lớn hơn 10, với độ bền kéo 3,5 GPa, mô đun đàn hồi 116 GPa và độ giãn dài 3,4%.

2. Mật độ thấp. Mật độ của nó thường là 0,97~0,98 g/cm³, cho phép nó nổi trên mặt nước.

3. Độ giãn dài khi đứt thấp. Vật liệu này có khả năng hấp thụ năng lượng mạnh, khả năng chống va đập và cắt tuyệt vời, khả năng chống chịu thời tiết tốt, và có khả năng chống tia cực tím, neutron và tia gamma. Nó cũng sở hữu khả năng hấp thụ năng lượng riêng cao, hằng số điện môi thấp, độ truyền sóng điện từ cao và khả năng chống ăn mòn hóa học, cũng như khả năng chống mài mòn tốt và tuổi thọ uốn cong dài.

Sợi polyethylene sở hữu nhiều đặc tính vượt trội, thể hiện ưu thế đáng kể trong...sợi hiệu suất caoTừ dây neo trong các mỏ dầu ngoài khơi đến vật liệu composite nhẹ hiệu suất cao, nó thể hiện những ưu điểm vượt trội trong chiến tranh hiện đại, cũng như trong các lĩnh vực hàng không, vũ trụ và hàng hải, đóng vai trò quan trọng trong thiết bị phòng thủ và các lĩnh vực khác.