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Lo strato interno di un recipiente a pressione in fibra avvolta è principalmente una struttura di rivestimento, la cui funzione principale è quella di fungere da barriera sigillante per impedire la fuoriuscita del gas o del liquido ad alta pressione immagazzinato al suo interno, proteggendo al contempo lo strato esterno in fibra avvolta. Questo strato non viene corroso dal materiale immagazzinato internamente, mentre lo strato esterno è uno strato in fibra avvolta rinforzato con resina, utilizzato principalmente per sopportare la maggior parte del carico di pressione all'interno del recipiente a pressione.

Struttura di un recipiente a pressione in fibra avvolta: i recipienti a pressione in materiali compositi sono disponibili principalmente in quattro forme strutturali: cilindrica, sferica, anulare e rettangolare. Un recipiente circolare è costituito da una sezione cilindrica e due fondi. I recipienti a pressione metallici sono realizzati in forme semplici, con riserve di resistenza in eccesso in direzione assiale. Sotto pressione interna, le sollecitazioni longitudinali e latitudinali di un recipiente sferico sono uguali, e sono pari alla metà della sollecitazione circonferenziale di un recipiente cilindrico. I materiali metallici hanno la stessa resistenza in tutte le direzioni; pertanto, i recipienti metallici sferici sono progettati per garantire la stessa resistenza e hanno la massa minima per un dato volume e pressione. Lo stato di sollecitazione di un recipiente sferico è ideale e la parete del recipiente può essere realizzata il più sottile possibile. Tuttavia, a causa della maggiore difficoltà di produzione di recipienti sferici, vengono generalmente utilizzati solo in applicazioni speciali come i veicoli spaziali. I contenitori a forma di anello sono rari nella produzione industriale, ma la loro struttura è comunque necessaria in determinate situazioni specifiche. Ad esempio, i veicoli spaziali utilizzano questa struttura speciale per sfruttare appieno lo spazio limitato. I contenitori rettangolari vengono utilizzati principalmente per massimizzare l'utilizzo dello spazio quando lo spazio è limitato, come i vagoni cisterna rettangolari per automobili e i vagoni cisterna ferroviari. Questi contenitori sono generalmente a bassa pressione o a pressione atmosferica, e sono preferibili contenitori più leggeri.

La complessità della struttura dei recipienti a pressione in materiale composito, le improvvise variazioni delle testate terminali e del loro spessore, nonché la variabilità di spessore e angolazione delle testate terminali, comportano numerose difficoltà in fase di progettazione, analisi, calcolo e stampaggio. Talvolta, i recipienti a pressione in materiale composito non solo richiedono avvolgimenti con angoli e rapporti di velocità diversi nelle testate terminali, ma richiedono anche metodi di avvolgimento diversi a seconda della struttura. Allo stesso tempo, è necessario considerare l'influenza di fattori pratici come il coefficiente di attrito. Pertanto, solo una progettazione strutturale corretta e ragionevole può guidare adeguatamente il processo di produzione degli avvolgimenti.materiale compositorecipienti a pressione, producendo così recipienti a pressione in materiali compositi leggeri che soddisfano i requisiti di progettazione.

Materiali per recipienti a pressione in fibra avvolta

Lo strato di fibre avvolte, in quanto componente principale portante, deve possedere elevata resistenza, elevato modulo elastico, bassa densità, stabilità termica, buona bagnabilità della resina, buona lavorabilità in avvolgimento e una tenuta uniforme del fascio di fibre. I materiali fibrosi di rinforzo comunemente utilizzati per i recipienti a pressione compositi leggeri includono fibra di carbonio, fibra di PBO, fibra aramidica e fibra di polietilene ad altissimo peso molecolare.

Fibra di carbonioè un materiale fibroso di carbonio il cui componente principale è il carbonio. Si forma carbonizzando precursori di fibre organiche ad alte temperature ed è un materiale fibroso ad alte prestazioni con un contenuto di carbonio superiore al 95%. La fibra di carbonio ha proprietà eccellenti e la ricerca su di essa è iniziata oltre 100 anni fa. È un materiale in fibra avvolta ad alte prestazioni ad alta resistenza, alto modulo e bassa densità, caratterizzato principalmente da quanto segue:

1. Bassa densità e peso leggero. La densità della fibra di carbonio è di 1,7~2 g/cm³, equivalente a 1/4 della densità dell'acciaio e 1/2 della densità della lega di alluminio.

2. Elevata resistenza e modulo elastico: la sua resistenza è 4-5 volte superiore a quella dell'acciaio e il suo modulo elastico è 5-6 volte superiore a quello delle leghe di alluminio, con recupero elastico assoluto (Zhang Eryong e Sun Yan, 2020). La resistenza alla trazione e il modulo elastico della fibra di carbonio possono raggiungere rispettivamente 3500-6300 MPa e 230-700 GPa.

3. Basso coefficiente di dilatazione termica: la conduttività termica della fibra di carbonio diminuisce con l'aumentare della temperatura, rendendola resistente al raffreddamento e al riscaldamento rapidi. Non si crepa nemmeno dopo il raffreddamento da diverse migliaia di gradi Celsius a temperatura ambiente, e non si scioglie né si ammorbidisce in un'atmosfera non ossidante a 3000 °C; non diventa fragile a temperatura di un liquido.

4. Buona resistenza alla corrosione: la fibra di carbonio è inerte agli acidi e può resistere ad acidi forti come l'acido cloridrico concentrato e l'acido solforico. Inoltre, i compositi in fibra di carbonio possiedono anche caratteristiche come la resistenza alle radiazioni, la buona stabilità chimica, la capacità di assorbire gas tossici e la moderazione neutronica, che li rendono ampiamente applicabili in ambito aerospaziale, militare e in molti altri settori.

L'aramide, una fibra organica sintetizzata da poliftalammidi aromatiche, è stata introdotta alla fine degli anni '60. La sua densità è inferiore a quella della fibra di carbonio. Possiede elevata resistenza, elevata resa, buona resistenza agli urti, buona stabilità chimica e resistenza al calore, e il suo prezzo è solo la metà di quello della fibra di carbonio.Fibre aramidichepresentano principalmente le seguenti caratteristiche:

1. Buone proprietà meccaniche. La fibra aramidica è un polimero flessibile con una resistenza alla trazione superiore a quella dei normali poliesteri, cotone e nylon. Presenta un maggiore allungamento, una mano morbida e una buona filabilità, che ne consente la produzione di fibre di diversa finezza e lunghezza.

2. Eccellente ignifugo e resistenza al calore. L'aramide ha un indice limite di ossigeno superiore a 28, quindi non continua a bruciare dopo essere stata rimossa dalla fiamma. Ha una buona stabilità termica, può essere utilizzata ininterrottamente a 205 °C e mantiene un'elevata resistenza anche a temperature superiori a 205 °C. Allo stesso tempo, le fibre aramidiche hanno un'elevata temperatura di decomposizione, mantenendo un'elevata resistenza anche ad alte temperature, e iniziano a carbonizzare solo a temperature superiori a 370 °C.

3. Proprietà chimiche stabili. Le fibre aramidiche presentano un'eccellente resistenza alla maggior parte delle sostanze chimiche, possono sopportare la maggior parte delle alte concentrazioni di acidi inorganici e hanno una buona resistenza agli alcali a temperatura ambiente.

4. Eccellenti proprietà meccaniche. Possiede eccezionali proprietà meccaniche come altissima resistenza, elevato modulo elastico e leggerezza. La sua resistenza è 5-6 volte superiore a quella del filo d'acciaio, il suo modulo elastico è 2-3 volte superiore a quello del filo d'acciaio o della fibra di vetro, la sua tenacità è doppia rispetto a quella del filo d'acciaio e il suo peso è solo 1/5 di quello del filo d'acciaio. Le fibre di poliammide aromatica sono da tempo ampiamente utilizzate come materiali ad alte prestazioni, principalmente adatte per recipienti a pressione aerospaziali e aeronautici con rigorosi requisiti di qualità e forma.

La fibra di PBO è stata sviluppata negli Stati Uniti negli anni '80 come materiale di rinforzo per materiali compositi destinati all'industria aerospaziale. È uno dei membri più promettenti della famiglia delle poliammidi contenenti composti aromatici eterociclici ed è nota come la super fibra del XXI secolo. La fibra di PBO possiede eccellenti proprietà fisiche e chimiche; la sua resistenza, il modulo elastico e la resistenza al calore sono tra i migliori tra tutte le fibre. Inoltre, la fibra di PBO presenta un'eccellente resistenza agli urti, all'abrasione e stabilità dimensionale, ed è leggera e flessibile, il che la rende un materiale tessile ideale. La fibra di PBO presenta le seguenti caratteristiche principali:

1. Eccellenti proprietà meccaniche. I prodotti in fibra PBO di fascia alta hanno una resistenza di 5,8 GPa e un modulo elastico di 180 GPa, il più alto tra le fibre chimiche esistenti.

2. Eccellente stabilità termica. Può resistere a temperature fino a 600 °C, con un indice limite di 68. Non brucia né si restringe in caso di fiamma e la sua resistenza al calore e alla fiamma sono superiori a quelle di qualsiasi altra fibra organica.

Fibra ad altissime prestazioni del XXI secolo, la fibra PBO possiede eccezionali proprietà fisiche, meccaniche e chimiche. La sua resistenza e il suo modulo elastico sono doppi rispetto a quelli della fibra aramidica e possiede la resistenza al calore e la resistenza alla fiamma della poliammide meta-aramidica. Le sue proprietà fisiche e chimiche superano di gran lunga quelle della fibra aramidica. Una fibra PBO di 1 mm di diametro può sollevare un oggetto fino a 450 kg e la sua resistenza è oltre 10 volte superiore a quella della fibra d'acciaio.

Fibra di polietilene ad altissimo peso molecolare, nota anche come fibra di polietilene ad alta resistenza e alto modulo, è la fibra con la resistenza specifica e il modulo specifico più elevati al mondo. È una fibra filata da polietilene con un peso molecolare compreso tra 1 e 5 milioni. La fibra di polietilene ad altissimo peso molecolare presenta principalmente le seguenti caratteristiche:

1. Elevata resistenza specifica e modulo elastico elevato. La sua resistenza specifica è oltre dieci volte superiore a quella del filo d'acciaio della stessa sezione trasversale e il suo modulo elastico è secondo solo a quello della fibra di carbonio speciale. Tipicamente, il suo peso molecolare è superiore a 10, con una resistenza alla trazione di 3,5 GPa, un modulo elastico di 116 GPa e un allungamento del 3,4%.

2. Bassa densità. La sua densità è generalmente di 0,97~0,98 g/cm³, il che gli consente di galleggiare sull'acqua.

3. Basso allungamento a rottura. Presenta un'elevata capacità di assorbimento di energia, un'eccellente resistenza agli urti e al taglio, un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici ed è resistente ai raggi ultravioletti, ai neutroni e ai raggi gamma. Possiede inoltre un elevato assorbimento di energia specifica, una bassa costante dielettrica, un'elevata trasmittanza delle onde elettromagnetiche e resistenza alla corrosione chimica, oltre a una buona resistenza all'usura e una lunga durata alla flessione.

La fibra di polietilene possiede molte proprietà superiori, dimostrando un vantaggio significativo nelfibra ad alte prestazionimercato. Dalle linee di ormeggio nei giacimenti petroliferi offshore ai materiali compositi leggeri ad alte prestazioni, presenta enormi vantaggi nella guerra moderna, così come nei settori aeronautico, aerospaziale e marittimo, svolgendo un ruolo cruciale nelle attrezzature difensive e in altri settori.