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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 di tenuta per impedire la fuoriuscita del gas o del liquido ad alta pressione immagazzinato all'interno, proteggendo al contempo lo strato esterno in fibra avvolta. Questo strato non viene corroso dal materiale immagazzinato all'interno, mentre lo strato esterno è costituito da fibre avvolte rinforzate con resina, utilizzate 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 materiale composito si presentano 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 superiori in direzione assiale. Sotto pressione interna, le sollecitazioni longitudinali e trasversali di un recipiente sferico sono uguali, mentre la sollecitazione circonferenziale è la metà di quella di un recipiente cilindrico. I materiali metallici hanno la stessa resistenza in tutte le direzioni; pertanto, i recipienti metallici sferici sono progettati per avere una resistenza uniforme e 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 con lo spessore minimo. Tuttavia, a causa della maggiore difficoltà nella produzione di recipienti sferici, questi sono generalmente utilizzati solo in applicazioni speciali come i veicoli spaziali. I contenitori ad anello sono rari nella produzione industriale, ma la loro struttura è comunque necessaria in determinate situazioni specifiche. Ad esempio, i veicoli spaziali utilizzano questa particolare struttura per sfruttare al meglio lo spazio limitato. I contenitori rettangolari vengono utilizzati principalmente per massimizzare l'utilizzo dello spazio quando questo è limitato, come ad esempio le autocisterne rettangolari per il trasporto di automobili e le autocisterne ferroviarie. Questi contenitori sono generalmente recipienti a bassa pressione o a pressione atmosferica, e si predilige un peso ridotto.

La complessità della struttura del recipiente a pressione in materiale composito, i bruschi cambiamenti nei tappi terminali e nel loro spessore, nonché lo spessore e l'angolo variabili dei tappi terminali, comportano numerose difficoltà nella progettazione, nell'analisi, nel calcolo e nello stampaggio. Talvolta, i recipienti a pressione in materiale composito non solo richiedono l'avvolgimento con angoli e rapporti di velocità diversi nei tappi terminali, ma anche diversi metodi di avvolgimento 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 razionale può guidare adeguatamente il processo di produzione dell'avvolgimento.materiale compositorecipienti a pressione, producendo così recipienti a pressione in materiale composito leggero che soddisfano i requisiti di progettazione.

Materiali per recipienti a pressione avvolti in fibra

Lo strato di fibre avvolte, in quanto componente portante principale, deve possedere elevata resistenza, alto modulo elastico, bassa densità, stabilità termica, buona bagnabilità della resina, buona lavorabilità durante l'avvolgimento e uniformità nella compattezza del fascio di fibre. I materiali di rinforzo in fibra comunemente utilizzati per i recipienti a pressione in composito leggero includono fibra di carbonio, fibra PBO, fibra aramidica e fibra di polietilene ad altissimo peso molecolare.

Fibra di carbonioLa fibra di carbonio è un materiale fibroso il cui componente principale è il carbonio. Si forma mediante la carbonizzazione di 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 possiede proprietà eccellenti e la ricerca su di essa è iniziata oltre 100 anni fa. Si tratta di un materiale fibroso avvolto ad alte prestazioni, caratterizzato principalmente dalle seguenti caratteristiche:

1. Bassa densità e peso ridotto. 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, mostrando un 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 alla temperatura ambiente e non fonde né si ammorbidisce in atmosfera non ossidante a 3000 °C; inoltre, non diventa fragile a temperature liquide.

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 quali resistenza alle radiazioni, buona stabilità chimica, capacità di assorbire gas tossici e moderazione dei neutroni, il che li rende ampiamente applicabili in ambito aerospaziale, militare e in molti altri settori.

L'aramide, una fibra organica sintetizzata a partire da poliftalammidi aromatiche, è emersa 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 comuni poliesteri, cotone e nylon. Presenta una maggiore elongazione, una consistenza morbida al tatto e una buona filabilità, che ne consentono la trasformazione in fibre di diversa finezza e lunghezza.

2. Eccellente resistenza alla fiamma e al calore. L'aramide ha un indice di ossigeno limite 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 carbonizzarsi 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 elevate concentrazioni di acidi inorganici e hanno una buona resistenza agli alcali a temperatura ambiente.

4. Eccellenti proprietà meccaniche. Possiede proprietà meccaniche eccezionali come resistenza ultraelevata, modulo elevato 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 il doppio di 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 fibrosi ad alte prestazioni, particolarmente adatti per recipienti a pressione nel settore aerospaziale e aeronautico con requisiti rigorosi in termini di qualità e forma.

La fibra 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 conosciuta come la super fibra del XXI secolo. La fibra PBO possiede eccellenti proprietà fisiche e chimiche; la sua resistenza, il modulo elastico e la resistenza al calore sono tra i migliori di tutte le fibre. Inoltre, la fibra PBO ha 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 PBO presenta le seguenti caratteristiche principali:

1. Eccellenti proprietà meccaniche. I prodotti in fibra PBO di alta gamma presentano una resistenza di 5,8 GPa e un modulo elastico di 180 GPa, i più elevati tra le fibre chimiche esistenti.

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

In quanto 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 il doppio di quelli della fibra aramidica, e possiede la resistenza al calore e l'ignifugazione della poliammide meta-aramide. 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 del peso fino a 450 kg e la sua resistenza è più di 10 volte superiore a quella della fibra d'acciaio.

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

1. Elevata resistenza specifica e alto modulo specifico. La sua resistenza specifica è più di dieci volte superiore a quella del filo d'acciaio della stessa sezione trasversale e il suo modulo specifico è secondo solo a quello delle fibre di carbonio speciali. 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 compresa tra 0,97 e 0,98 g/cm³, il che gli consente di galleggiare sull'acqua.

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

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 di difesa e in altri ambiti.