uudised

Kiudmähisega surveanuma sisemine kiht on peamiselt vooderstruktuur, mille peamine ülesanne on toimida tihendusbarjäärina, et vältida sees hoitava kõrgsurvegaasi või -vedeliku lekkimist, kaitstes samal ajal ka välimist kiudmähisega kihti. See kiht ei ole sisemises säilitatavas materjalis korrodeerunud ja välimine kiht on vaiguga tugevdatud kiudmähisega kiht, mida kasutatakse peamiselt surveanuma rõhukoormuse kandmiseks.

Kiudmähisega surveanuma struktuur: Komposiitmaterjalist surveanumad on peamiselt neljas konstruktsioonivormis: silindrilised, sfäärilised, rõngakujulised ja ristkülikukujulised. Ümmargune anum koosneb silindrilisest sektsioonist ja kahest peast. Metallist surveanumad on valmistatud lihtsa kujuga, millel on aksiaalses suunas tugevusvaru. Sisemise rõhu all on sfäärilise anuma piki- ja laiuspinged võrdsed ning see on pool silindrilise anuma ümbermõõdupingest. Metallmaterjalidel on igas suunas võrdne tugevus; seetõttu on sfäärilised metallanumad konstrueeritud võrdse tugevusega ja neil on antud mahu ja rõhu jaoks minimaalne mass. Sfäärilise anuma pingeseisund on ideaalne ja anuma seina saab teha kõige õhemaks. Kuna sfääriliste anumate valmistamine on aga raskem, kasutatakse neid üldiselt ainult spetsiaalsetes rakendustes, näiteks kosmoselaevades. Rõngakujulised mahutid on tööstuslikus tootmises haruldased, kuid nende struktuur on teatud spetsiifilistes olukordades siiski vajalik. Näiteks kosmoselaevad kasutavad seda spetsiaalset konstruktsiooni piiratud ruumi täielikuks ärakasutamiseks. Ristkülikukujulisi konteinereid kasutatakse peamiselt ruumi maksimaalseks ärakasutamiseks piiratud ruumi korral, näiteks ristkülikukujulistes tsisternvagunites autodele ja raudteetsisternvagunitele. Need mahutid on üldiselt madalrõhu- või atmosfäärirõhu anumad ning eelistatud on kergem kaal.

Komposiitmaterjalist surveanuma konstruktsiooni keerukus, otsakorkide ja nende paksuse järsud muutused ning otsakorkide muutuv paksus ja nurk tekitavad palju raskusi projekteerimisel, analüüsimisel, arvutamisel ja vormimisel. Mõnikord vajavad komposiitmaterjalist surveanumad mitte ainult otsakorkides erinevate nurkade ja kiirussuhete all mähimist, vaid ka erinevaid mähismeetodeid, olenevalt konstruktsioonist. Samal ajal tuleb arvestada praktiliste tegurite, näiteks hõõrdeteguri mõjuga. Seetõttu saab mähise tootmisprotsessi õigesti suunata ainult õige ja mõistlik konstruktsiooniline disain.komposiitmaterjalsurveanumaid, tootes seeläbi kergeid komposiitmaterjalist surveanumaid, mis vastavad projekteerimisnõuetele.

Kiudkeermega surveanumate materjalid

Kiudmähisega kiht kui peamine koormust kandev komponent peab olema suure tugevusega, suure mooduliga, väikese tihedusega, termilise stabiilsusega, hea vaigu märguvusega, hea mähise töödeldavusega ja ühtlase kiudkimpude tihedusega. Kergete komposiitrõhuanumate jaoks tavaliselt kasutatavate tugevdavate kiudmaterjalide hulka kuuluvad süsinikkiud, PBO-kiud, aramiidkiud ja ülikõrge molekulmassiga polüetüleenkiud.

Süsinikkiudon kiuline süsinikmaterjal, mille peamine komponent on süsinik. See moodustub orgaaniliste kiudude lähteainete karboniseerimisel kõrgetel temperatuuridel ja on kõrgjõudlusega kiudmaterjal, mille süsinikusisaldus ületab 95%. Süsinikkiul on suurepärased omadused ja selle uuringud algasid üle 100 aasta tagasi. See on suure tugevusega, suure mooduliga ja madala tihedusega kõrgjõudlusega keritud kiudmaterjal, mida iseloomustavad peamiselt järgmised omadused:

1. Madal tihedus ja kerge kaal. Süsinikkiu tihedus on 1,7–2 g/cm³, mis on võrdne 1/4 terase ja 1/2 alumiiniumsulami tihedusega.

2. Suur tugevus ja elastsusmoodul: selle tugevus on 4–5 korda suurem kui terasel ja elastsusmoodul 5–6 korda suurem kui alumiiniumisulamitel, mis annab absoluutse elastse taastumise (Zhang Eryong ja Sun Yan, 2020). Süsinikkiu tõmbetugevus ja elastsusmoodul võivad ulatuda vastavalt 3500–6300 MPa ja 230–700 GPa-ni.

3. Madal soojuspaisumistegur: Süsinikkiu soojusjuhtivus väheneb temperatuuri tõustes, mistõttu see on vastupidav kiirele jahutamisele ja kuumutamisele. See ei pragune isegi pärast jahutamist mitmest tuhandest Celsiuse kraadist toatemperatuurini ning ei sula ega pehmene mitteoksüdeerivas atmosfääris temperatuuril 3000 ℃; see ei muutu vedela temperatuuri juures hapraks.

4. Hea korrosioonikindlus: Süsinikkiud on hapete suhtes inertne ja talub tugevaid happeid, nagu kontsentreeritud vesinikkloriidhape ja väävelhape. Lisaks on süsinikkiust komposiitidel ka sellised omadused nagu kiirguskindlus, hea keemiline stabiilsus, võime absorbeerida mürgiseid gaase ja neutronite aeglustus, mis muudab need laialdaselt kasutatavaks lennunduses, sõjanduses ja paljudes teistes valdkondades.

Aramiid, aromaatsetest polüftalamiididest sünteesitud orgaaniline kiud, tekkis 1960. aastate lõpus. Selle tihedus on madalam kui süsinikkiul. Sellel on kõrge tugevus, kõrge saagikus, hea löögikindlus, hea keemiline stabiilsus ja kuumakindlus ning selle hind on vaid pool süsinikkiu hinnast.Aramiidkiudomavad peamiselt järgmisi omadusi:

1. Head mehaanilised omadused. Aramiidkiud on painduv polümeer, millel on suurem tõmbetugevus kui tavalistel polüestritel, puuvillal ja nailonil. Sellel on suurem venivus, pehme tunne ja hea tsentrifuugitavus, mis võimaldab seda valmistada erineva peenuse ja pikkusega kiududeks.

2. Suurepärane leegiaeglustaja ja kuumakindlus. Aramiidi piirhapnikuindeks on üle 28, seega ei põle see pärast leegist eemaldamist edasi. Sellel on hea termiline stabiilsus, seda saab pidevalt kasutada temperatuuril 205 ℃ ja see säilitab kõrge tugevuse isegi temperatuuril üle 205 ℃. Samal ajal on aramiidkiududel kõrge lagunemistemperatuur, mis säilitab kõrge tugevuse isegi kõrgetel temperatuuridel ja hakkab karboniseeruma alles temperatuuril üle 370 ℃.

3. Stabiilsed keemilised omadused. Aramiidkiud on väga vastupidavad enamiku kemikaalide suhtes, taluvad enamikku anorgaaniliste hapete kõrgeid kontsentratsioone ja neil on toatemperatuuril hea leeliskindlus.

4. Suurepärased mehaanilised omadused. Sellel on silmapaistvad mehaanilised omadused, nagu ülikõrge tugevus, kõrge elastsusmoodul ja kerge kaal. Selle tugevus on 5–6 korda suurem kui terastraadil, elastsusmoodul on 2–3 korda suurem kui terastraadil või klaaskiul, sitkus on kaks korda suurem kui terastraadil ja kaal on vaid 1/5 terastraadi kaalust. Aromaatseid polüamiidkiude on pikka aega laialdaselt kasutatud kõrgjõudlusega kiudmaterjalidena, mis sobivad peamiselt kosmose- ja lennundussurveanumatele, mille kvaliteedi- ja kujunõuded on ranged.

PBO-kiud töötati välja Ameerika Ühendriikides 1980. aastatel lennundustööstusele mõeldud komposiitmaterjalide tugevdusmaterjalina. See on üks paljulubavamaid heterotsüklilisi aromaatseid ühendeid sisaldavate polüamiidide perekonna liikmeid ja seda tuntakse 21. sajandi superkiuna. PBO-kiul on suurepärased füüsikalised ja keemilised omadused; selle tugevus, elastsusmoodul ja kuumakindlus on kõigi kiudude seas parimad. Lisaks on PBO-kiul suurepärane löögikindlus, kulumiskindlus ja mõõtmete stabiilsus ning see on kerge ja painduv, muutes selle ideaalseks tekstiilmaterjaliks. PBO-kiul on järgmised peamised omadused:

1. Suurepärased mehaanilised omadused. Tipptasemel PBO-kiudtoodete tugevus on 5,8 GPa ja elastsusmoodul 180 GPa, mis on olemasolevate keemiliste kiudude seas kõrgeim.

2. Suurepärane termiline stabiilsus. See talub temperatuuri kuni 600 ℃, piirväärtusega 68. See ei põle ega kahane leegis ning selle kuumakindlus ja leegiaeglustus on kõrgemad kui ühelgi teisel orgaanilisel kiul.

21. sajandi ülikõrge jõudlusega kiuna on PBO-kiul suurepärased füüsikalised, mehaanilised ja keemilised omadused. Selle tugevus ja elastsusmoodul on kaks korda suuremad kui aramiidkiul ning sellel on meta-aramiidpolüamiidi kuumakindlus ja leegiaeglustus. Selle füüsikalised ja keemilised omadused ületavad täielikult aramiidkiu omadusi. 1 mm läbimõõduga PBO-kiud suudab tõsta kuni 450 kg kaaluvat eset ja selle tugevus on enam kui 10 korda suurem kui teraskiul.

Ülikõrge molekulmassiga polüetüleenkiud, tuntud ka kui ülitugev ja suure mooduliga polüetüleenkiud, on maailmas suurima eritugevuse ja erimooduliga kiud. See on polüetüleenist kedratud kiud molekulmassiga 1–5 miljonit. Ülikõrge molekulmassiga polüetüleenkiul on peamiselt järgmised omadused:

1. Suur eritugevus ja erimoodul. Selle eritugevus on enam kui kümme korda suurem kui sama ristlõikega terastraadil ja erimoodul jääb alla vaid spetsiaalsele süsinikkiule. Tavaliselt on selle molekulmass üle 10, tõmbetugevus 3,5 GPa, elastsusmoodul 116 GPa ja pikenemine 3,4%.

2. Madal tihedus. Selle tihedus on üldiselt 0,97–0,98 g/cm³, mis võimaldab sellel veepinnal hõljuda.

3. Madal venivus katkemisel. Sellel on tugev energia neeldumisvõime, suurepärane löögi- ja lõikekindlus, suurepärane ilmastikukindlus ning see on vastupidav ultraviolettkiirgusele, neutronitele ja gammakiirgusele. Samuti on sellel kõrge erienergia neeldumisvõime, madal dielektriline konstant, kõrge elektromagnetlainete läbilaskvus ja vastupidavus keemilisele korrosioonile, samuti hea kulumiskindlus ja pikk paindekindlus.

Polüetüleenkiul on palju suurepäraseid omadusi, mis näitavad märkimisväärset eelistsuure jõudlusega kiudturg. Alates avamere naftaväljade sildumisliinidest kuni kõrgjõudlusega kergete komposiitmaterjalideni on sellel tohutud eelised tänapäeva sõjapidamises, aga ka lennunduses, kosmosetööstuses ja merenduses, mängides olulist rolli kaitsevarustuses ja muudes valdkondades.