لایه داخلی یک مخزن تحت فشار با الیاف پیچیده شده در درجه اول یک ساختار آستری است که وظیفه اصلی آن عمل به عنوان یک مانع آببندی برای جلوگیری از نشت گاز یا مایع پرفشار ذخیره شده در داخل و در عین حال محافظت از لایه بیرونی الیاف پیچیده شده است. این لایه توسط مواد ذخیره شده داخلی خورده نمیشود و لایه بیرونی یک لایه الیاف پیچیده شده تقویت شده با رزین است که عمدتاً برای تحمل بیشتر بار فشار در داخل مخزن تحت فشار استفاده میشود.
ساختار مخزن تحت فشار با الیاف: مخازن تحت فشار مواد کامپوزیتی عمدتاً در چهار شکل ساختاری وجود دارند: استوانهای، کروی، حلقوی و مستطیلی. یک مخزن دایرهای از یک بخش استوانهای و دو سر تشکیل شده است. مخازن تحت فشار فلزی در اشکال ساده و با ذخایر استحکام اضافی در جهت محوری ساخته میشوند. تحت فشار داخلی، تنشهای طولی و عرضی یک مخزن کروی برابر است و نصف تنش محیطی یک مخزن استوانهای است. مواد فلزی در تمام جهات استحکام یکسانی دارند. بنابراین، مخازن فلزی کروی برای استحکام برابر طراحی میشوند و حداقل جرم را برای حجم و فشار معین دارند. حالت تنش یک مخزن کروی ایدهآل است و میتوان دیواره مخزن را تا حد امکان نازک کرد. با این حال، به دلیل دشواری بیشتر در ساخت مخازن کروی، آنها معمولاً فقط در کاربردهای خاص مانند فضاپیما استفاده میشوند. مخازن حلقهای شکل در تولید صنعتی نادر هستند، اما ساختار آنها هنوز در موقعیتهای خاص ضروری است. به عنوان مثال، فضاپیماها از این ساختار ویژه برای استفاده کامل از فضای محدود استفاده میکنند. مخازن مستطیلی عمدتاً برای به حداکثر رساندن استفاده از فضا در هنگام محدودیت فضا استفاده میشوند، مانند واگنهای مخزن مستطیلی برای خودروها و واگنهای مخزن راهآهن. این ظروف عموماً مخازن کمفشار یا فشار اتمسفری هستند و وزن سبکتر ترجیح داده میشود.
پیچیدگی ساختار مخازن تحت فشار مواد کامپوزیتی، تغییرات ناگهانی در درپوشهای انتهایی و ضخامت آنها، و ضخامت و زاویه متغیر درپوشهای انتهایی، مشکلات زیادی را در طراحی، تحلیل، محاسبه و قالبگیری ایجاد میکند. گاهی اوقات، مخازن تحت فشار مواد کامپوزیتی نه تنها نیاز به سیمپیچ در زوایا و نسبتهای سرعت مختلف در درپوشهای انتهایی دارند، بلکه بسته به ساختار، به روشهای سیمپیچ متفاوتی نیز نیاز دارند. همزمان، تأثیر عوامل عملی مانند ضریب اصطکاک باید در نظر گرفته شود. بنابراین، تنها یک طراحی ساختاری صحیح و معقول میتواند فرآیند تولید سیمپیچ را به درستی هدایت کند.مواد کامپوزیتمخازن تحت فشار، و در نتیجه تولید محصولات مخزن تحت فشار از جنس کامپوزیت سبک که الزامات طراحی را برآورده میکنند.
مواد برای مخازن تحت فشار با الیاف پیچیده شده
لایه فیبری، به عنوان جزء اصلی تحمل بار، باید دارای استحکام بالا، مدول بالا، چگالی کم، پایداری حرارتی، قابلیت ترشوندگی خوب رزین، قابلیت فرآیندپذیری خوب پیچشی و سفتی یکنواخت دسته الیاف باشد. مواد الیافی تقویتکننده رایج برای مخازن تحت فشار کامپوزیتی سبک شامل الیاف کربن، الیاف PBO، الیاف آرامید و الیاف پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا هستند.
فیبر کربنیک ماده کربنی الیافی است که جزء اصلی آن کربن است. این ماده با کربنیزه کردن پیشسازهای الیاف آلی در دماهای بالا تشکیل میشود و یک ماده الیافی با کارایی بالا با محتوای کربن بیش از ۹۵٪ است. الیاف کربن خواص عالی دارد و تحقیقات روی آن بیش از ۱۰۰ سال پیش آغاز شد. این ماده الیافی با استحکام بالا، مدول بالا و چگالی کم است که با عملکرد بالا و پیچشی ساخته میشود و عمدتاً با موارد زیر مشخص میشود:
۱. چگالی کم و وزن سبک. چگالی فیبر کربن ۱.۷ تا ۲ گرم بر سانتیمتر مکعب است که معادل ۱/۴ چگالی فولاد و ۱/۲ چگالی آلیاژ آلومینیوم است.
۲. استحکام و مدول بالا: استحکام آن ۴ تا ۵ برابر بیشتر از فولاد و مدول الاستیک آن ۵ تا ۶ برابر بیشتر از آلیاژهای آلومینیوم است و بازیابی الاستیک مطلق را نشان میدهد (ژانگ اریون و سان یان، ۲۰۲۰). استحکام کششی و مدول الاستیک الیاف کربن میتواند به ترتیب به ۳۵۰۰ تا ۶۳۰۰ مگاپاسکال و ۲۳۰ تا ۷۰۰ گیگاپاسکال برسد.
۳. ضریب انبساط حرارتی پایین: رسانایی حرارتی فیبر کربن با افزایش دما کاهش مییابد و آن را در برابر سرد و گرم شدن سریع مقاوم میکند. حتی پس از سرد شدن از چند هزار درجه سانتیگراد تا دمای اتاق، ترک نمیخورد و در یک فضای غیر اکسید کننده در دمای ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد ذوب یا نرم نمیشود؛ در دمای مایع شکننده نمیشود.
۴. مقاومت خوب در برابر خوردگی: فیبر کربن در برابر اسیدها بیاثر است و میتواند در برابر اسیدهای قوی مانند اسید هیدروکلریک غلیظ و اسید سولفوریک مقاومت کند. علاوه بر این، کامپوزیتهای فیبر کربن دارای ویژگیهایی مانند مقاومت در برابر تابش، پایداری شیمیایی خوب، توانایی جذب گازهای سمی و تعدیل نوترون نیز هستند که آنها را به طور گسترده در هوافضا، نظامی و بسیاری از زمینههای دیگر قابل استفاده میکند.
آرامید، یک الیاف آلی سنتز شده از پلیفتالآمیدهای آروماتیک، در اواخر دهه ۱۹۶۰ پدیدار شد. چگالی آن کمتر از الیاف کربن است. این الیاف دارای استحکام بالا، بازده بالا، مقاومت در برابر ضربه خوب، پایداری شیمیایی خوب و مقاومت در برابر حرارت هستند و قیمت آن تنها نصف الیاف کربن است.الیاف آرامیدعمدتاً دارای ویژگیهای زیر هستند:
۱. خواص مکانیکی خوب. الیاف آرامید پلیمری انعطافپذیر با استحکام کششی بالاتر از پلیاسترهای معمولی، پنبه و نایلون است. این الیاف قابلیت کشیدگی بیشتری دارند، حس نرمی زیر دست را ایجاد میکنند و قابلیت ریسندگی خوبی دارند که به آنها اجازه میدهد به الیافی با ظرافت و طولهای مختلف تبدیل شوند.
۲. مقاومت عالی در برابر شعله و حرارت. آرامید دارای شاخص اکسیژن محدودکننده بیش از ۲۸ است، بنابراین پس از دور شدن از شعله، به سوختن ادامه نمیدهد. پایداری حرارتی خوبی دارد، میتواند به طور مداوم در دمای ۲۰۵ درجه سانتیگراد استفاده شود و حتی در دماهای بالاتر از ۲۰۵ درجه سانتیگراد نیز استحکام بالایی را حفظ میکند. همزمان، الیاف آرامید دمای تجزیه بالایی دارند و حتی در دماهای بالا نیز استحکام بالایی را حفظ میکنند و فقط در دماهای بالاتر از ۳۷۰ درجه سانتیگراد شروع به کربنیزه شدن میکنند.
۳. خواص شیمیایی پایدار. الیاف آرامید مقاومت بسیار خوبی در برابر اکثر مواد شیمیایی نشان میدهند، میتوانند در برابر اکثر غلظتهای بالای اسیدهای معدنی مقاومت کنند و در دمای اتاق مقاومت قلیایی خوبی دارند.
۴. خواص مکانیکی عالی. این ماده دارای خواص مکانیکی برجستهای مانند استحکام فوق العاده بالا، مدول بالا و وزن سبک است. استحکام آن ۵-۶ برابر سیم فولادی، مدول الاستیک آن ۲-۳ برابر سیم فولادی یا الیاف شیشه، چقرمگی آن دو برابر سیم فولادی و وزن آن تنها ۱/۵ برابر سیم فولادی است. الیاف پلی آمید آروماتیک مدتهاست که به عنوان مواد الیافی با کارایی بالا به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند و در درجه اول برای مخازن تحت فشار هوافضا و هوانوردی با الزامات سختگیرانه برای کیفیت و شکل مناسب هستند.
الیاف PBO در دهه ۱۹۸۰ در ایالات متحده به عنوان یک ماده تقویتکننده برای مواد کامپوزیتی که برای صنعت هوافضا توسعه داده شده بودند، توسعه یافت. این الیاف یکی از امیدوارکنندهترین اعضای خانواده پلیآمید حاوی ترکیبات آروماتیک هتروسیکلیک است و به عنوان ابرالیاف قرن بیست و یکم شناخته میشود. الیاف PBO دارای خواص فیزیکی و شیمیایی عالی است؛ استحکام، مدول الاستیک و مقاومت حرارتی آن از بهترین الیاف است. علاوه بر این، الیاف PBO مقاومت ضربهای، مقاومت سایشی و پایداری ابعادی عالی دارد و سبک و انعطافپذیر است و آن را به یک ماده نساجی ایدهآل تبدیل میکند. الیاف PBO دارای ویژگیهای اصلی زیر است:
۱. خواص مکانیکی عالی. محصولات الیاف PBO مرغوب دارای استحکام ۵.۸ گیگا پاسکال و مدول الاستیک ۱۸۰ گیگا پاسکال هستند که بالاترین میزان در بین الیاف شیمیایی موجود است.
۲. پایداری حرارتی عالی. میتواند تا دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد را با شاخص محدودکننده ۶۸ تحمل کند. در شعله نمیسوزد و جمع نمیشود و مقاومت حرارتی و بازدارندگی شعله آن از هر الیاف آلی دیگری بیشتر است.
الیاف PBO به عنوان یک الیاف فوق العاده با کارایی بالا در قرن بیست و یکم، خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی برجستهای دارد. استحکام و مدول الاستیک آن دو برابر الیاف آرامید است و مقاومت حرارتی و بازدارندگی شعله آن در حد پلی آمید متاآرامید است. خواص فیزیکی و شیمیایی آن کاملاً از الیاف آرامید پیشی میگیرد. یک الیاف PBO با قطر 1 میلیمتر میتواند جسمی تا وزن 450 کیلوگرم را بلند کند و استحکام آن بیش از 10 برابر الیاف فولادی است.
الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالاکه به عنوان الیاف پلی اتیلن با استحکام بالا و مدول بالا نیز شناخته میشود، الیافی با بالاترین استحکام ویژه و مدول ویژه در جهان است. این الیاف از پلی اتیلن با وزن مولکولی ۱ تا ۵ میلیون ریسیده میشوند. الیاف پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا عمدتاً دارای ویژگیهای زیر هستند:
۱. استحکام ویژه بالا و مدول ویژه بالا. استحکام ویژه آن بیش از ده برابر سیم فولادی با سطح مقطع یکسان است و مدول ویژه آن پس از الیاف کربن ویژه در رتبه دوم قرار دارد. معمولاً وزن مولکولی آن بیشتر از ۱۰ است، با استحکام کششی ۳.۵ گیگا پاسکال، مدول الاستیک ۱۱۶ گیگا پاسکال و ازدیاد طول ۳.۴٪.
۲. چگالی کم. چگالی آن عموماً ۰.۹۷ تا ۰.۹۸ گرم بر سانتیمتر مکعب است که به آن اجازه میدهد روی آب شناور بماند.
۳. ازدیاد طول کم در هنگام شکست. این ماده ظرفیت جذب انرژی بالایی دارد، مقاومت عالی در برابر ضربه و برش، مقاومت عالی در برابر آب و هوا و مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش، نوترونها و اشعه گاما است. همچنین دارای جذب انرژی ویژه بالا، ثابت دیالکتریک پایین، عبور موج الکترومغناطیسی بالا و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی و همچنین مقاومت خوب در برابر سایش و عمر خمشی طولانی است.
الیاف پلی اتیلن دارای خواص برتر بسیاری است که مزیت قابل توجهی را در ... نشان میدهد.فیبر با کارایی بالااز خطوط مهار در میدانهای نفتی فراساحلی گرفته تا مواد کامپوزیتی سبک با کارایی بالا، این ماده مزایای فوقالعادهای را در جنگهای مدرن و همچنین در بخشهای هوانوردی، هوافضا و دریایی نشان میدهد و نقش حیاتی در تجهیزات دفاعی و سایر حوزهها ایفا میکند.
زمان ارسال: ۲۲ دسامبر ۲۰۲۵
