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Fibra di carbonioI recipienti a pressione in materiale composito avvolto sono recipienti a parete sottile costituiti da un rivestimento interno ermeticamente sigillato e da uno strato di fibre ad alta resistenza, formato principalmente mediante un processo di avvolgimento e tessitura delle fibre. Rispetto ai tradizionali recipienti a pressione metallici, il rivestimento interno dei recipienti a pressione in materiale composito funge da serbatoio, sigillante e protezione dalla corrosione chimica, mentre lo strato composito è utilizzato principalmente per sopportare il carico di pressione interno. Grazie all'elevata resistenza specifica e alla buona progettualità dei materiali compositi, i recipienti a pressione in materiale composito non solo hanno notevolmente migliorato la loro capacità di carico, ma hanno anche ridotto significativamente la massa del recipiente rispetto ai tradizionali recipienti a pressione metallici.
Lo strato interno del recipiente a pressione in fibra avvolta è costituito principalmente da una struttura di rivestimento, la cui funzione principale è quella di fungere da barriera di tenuta per impedire la fuoriuscita di gas o liquidi ad alta pressione immagazzinati all'interno e, allo stesso tempo, di proteggere lo strato esterno in fibra avvolta. Questo strato non viene corroso dal materiale immagazzinato internamente, mentre lo strato esterno è costituito da uno strato di fibra avvolta rinforzato con una matrice di resina, utilizzato principalmente per resistere alla maggior parte dei carichi di pressione all'interno del recipiente a pressione.
1. Struttura dei recipienti a pressione avvolti in fibra
Esistono quattro principali forme strutturali di recipienti a pressione in materiale composito: cilindrico, sferico, anulare e rettangolare. Un recipiente cilindrico è costituito da una sezione cilindrica e due fondi. I recipienti a pressione in metallo sono realizzati in forme semplici con riserve di resistenza superiori in direzione assiale. I recipienti sferici presentano sollecitazioni uguali nelle direzioni di ordito e trama sotto pressione interna e una sollecitazione circonferenziale pari alla metà di quella dei recipienti cilindrici. La resistenza del materiale metallico è uniforme in tutte le direzioni, quindi il contenitore sferico in metallo è progettato per garantire una resistenza uniforme e ha la massa minima a parità di volume e pressione. La configurazione ideale per un contenitore sferico è quella con le pareti più sottili, che possono essere realizzate con la massima efficienza. Tuttavia, a causa della maggiore difficoltà di produzione, i contenitori sferici sono generalmente utilizzati solo nei veicoli spaziali e in altre applicazioni speciali. I contenitori anulari sono molto rari nella produzione industriale, ma in alcune occasioni specifiche o quando è necessaria questa struttura, ad esempio nei veicoli spaziali, per sfruttare al meglio lo spazio limitato, si ricorre a questa particolare configurazione. I contenitori rettangolari sono utilizzati principalmente quando lo spazio è limitato, massimizzando l'utilizzo dello spazio e delle strutture, come ad esempio le autocisterne rettangolari per autoveicoli, le autocisterne ferroviarie, ecc. Questi contenitori sono generalmente a bassa pressione o a pressione atmosferica e, in base ai requisiti di qualità, più leggero è, meglio è.
La complessità della struttura delcompositoLa struttura stessa del recipiente a pressione, le improvvise variazioni di spessore della testa e del fondo, lo spessore e l'angolo variabili della testa, ecc., comportano numerose difficoltà nella progettazione, nell'analisi, nel calcolo e nello stampaggio. Talvolta, i recipienti a pressione in materiale composito non solo devono essere avvolti con angoli diversi e rapporti di velocità variabili nella parte superiore, ma devono anche adottare metodi di avvolgimento differenti a seconda delle diverse strutture. Allo stesso tempo, è necessario considerare l'influenza di fattori pratici come il coefficiente di attrito. Pertanto, solo una progettazione strutturale corretta e razionale può guidare correttamente il processo di produzione mediante avvolgimento dei recipienti a pressione in materiale composito, al fine di produrre recipienti a pressione in materiale composito leggeri che soddisfino i requisiti di progettazione.
2. Materiale del recipiente a pressione avvolto in fibra
In quanto parte portante principale, lo strato di avvolgimento delle fibre deve avere elevata resistenza, modulo elevato, bassa densità, stabilità termica e buona bagnabilità della resina, nonché buona processabilità dell'avvolgimento e compattezza uniforme del fascio di fibre. Le fibre di rinforzo comunemente utilizzate per i recipienti a pressione compositi leggeri includonofibre di carbonio, fibre PBO,fibre di poliammine aromatichee fibre di UHMWPE.