חֲדָשׁוֹת

השכבה הפנימית של כלי לחץ מלופף בסיבים היא בעיקר מבנה ריפוד, שתפקידו העיקרי הוא לשמש כמחסום איטום למניעת דליפה של גז או נוזל בלחץ גבוה המאוחסנים בפנים, תוך הגנה על השכבה החיצונית מלופפת בסיבים. שכבה זו אינה נשחקת על ידי החומר המאוחסן הפנימי, והשכבה החיצונית היא שכבה מלופפת בסיבים מחוזקת בשרף, המשמשת בעיקר לנשיאת רוב עומס הלחץ בתוך כלי הלחץ.

מבנה כלי לחץ מלופף סיבים: כלי לחץ מחומר מרוכב מגיעים בעיקר בארבע צורות מבניות: גלילי, כדורי, טבעתי ומלבני. כלי עגול מורכב מחלק גלילי ושני ראשים. כלי לחץ מתכתיים מיוצרים בצורות פשוטות, עם עודפי חוזק עודפים בכיוון הצירי. תחת לחץ פנימי, המאמצים האורכיים והרוחביים של כלי כדורי שווים, והוא מחצית מהמאמץ ההיקפי של כלי גלילי. לחומרי מתכת יש חוזק שווה בכל הכיוונים; לכן, כלי מתכת כדוריים מתוכננים לחוזק שווה ובעלי מסה מינימלית עבור נפח ולחץ נתונים. מצב המאמץ של כלי כדורי הוא אידיאלי, וניתן להפוך את דופן הכלי לדקה ביותר. עם זאת, בשל הקושי הרב בייצור כלי כדוריים, הם משמשים בדרך כלל רק ביישומים מיוחדים כמו חלליות. מיכלים בצורת טבעת הם נדירים בייצור תעשייתי, אך המבנה שלהם עדיין הכרחי במצבים ספציפיים מסוימים. לדוגמה, חלליות משתמשות במבנה מיוחד זה כדי לנצל באופן מלא את השטח המוגבל. מיכלים מלבניים משמשים בעיקר כדי למקסם את ניצול השטח כאשר השטח מוגבל, כגון קרונות מכלים מלבניים למכוניות וקרונות מכלים לרכבת. מיכלים אלה הם בדרך כלל כלי לחץ נמוך או אטמוספרי, ומשקל קל יותר עדיף.

מורכבות מבנה כלי הלחץ מחומר מרוכב, השינויים הפתאומיים בכיסוי הקצה ובעובי שלהם, והעובי והזווית המשתנים של כיסי הקצה מביאים קשיים רבים לתכנון, ניתוח, חישוב ועיצוב. לעיתים, כלי לחץ מחומר מרוכב לא רק דורשים ליפוף בזוויות שונות וביחסי מהירות שונים בכיסוי הקצה, אלא גם דורשים שיטות ליפוף שונות בהתאם למבנה. במקביל, יש לקחת בחשבון את השפעתם של גורמים מעשיים כמו מקדם החיכוך. לכן, רק תכנון מבני נכון וסביר יכול להנחות כראוי את תהליך ייצור הליפוף של...חומר מרוכבכלי לחץ, ובכך מייצרים מוצרי כלי לחץ מחומר מרוכב קל משקל העומדים בדרישות התכנון.

חומרים לכלי לחץ פצועים בסיבים

שכבת הסיבים המלופפים, כמרכיב הנושא את העומס העיקרי, חייבת להיות בעלת חוזק גבוה, מודולוס גבוה, צפיפות נמוכה, יציבות תרמית, יכולת הרטבה טובה של השרף, יכולת עיבוד טובה של הליפוף ואטימות אחידה של צרורות הסיבים. חומרי סיבים חיזוק נפוצים עבור מיכלי לחץ מרוכבים קלים כוללים סיבי פחמן, סיבי PBO, סיבי ארמיד וסיבים פוליאתילן בעלי משקל מולקולרי גבוה במיוחד.

סיבי פחמןהוא חומר פחמן סיבי שהמרכיב העיקרי שלו הוא פחמן. הוא נוצר על ידי פחמון של סיבים אורגניים בטמפרטורות גבוהות והוא חומר סיבים בעל ביצועים גבוהים עם תכולת פחמן העולה על 95%. לסיב פחמן תכונות מצוינות, והמחקר עליו החל לפני למעלה מ-100 שנה. זהו חומר סיבים מלופפים בעל חוזק גבוה, מודול גבוה וצפיפות נמוכה, בעל ביצועים גבוהים, המאופיין בעיקר בתכונות הבאות:

1. צפיפות נמוכה וקל משקל. צפיפות סיבי הפחמן היא 1.7~2 גרם/סמ"ק, שווה ערך ל-1/4 מצפיפות הפלדה ול-1/2 מצפיפות סגסוגת האלומיניום.

2. חוזק גבוה ומודול גבוה: חוזקו גבוה פי 4-5 מפלדה, ומודול האלסטיות שלו גבוה פי 5-6 מסגסוגות אלומיניום, ומציג התאוששות אלסטית מוחלטת (Zhang Eryong and Sun Yan, 2020). חוזק המתיחה ומודול האלסטיות של סיבי פחמן יכולים להגיע ל-3500-6300 מגה פסקל ו-230-700 גפסקל, בהתאמה.

3. מקדם התפשטות תרמית נמוך: המוליכות התרמית של סיבי פחמן יורדת עם עליית הטמפרטורה, מה שהופך אותם לעמידים בפני קירור וחימום מהירים. הם לא יסדקו אפילו לאחר קירור מכמה אלפי מעלות צלזיוס לטמפרטורת החדר, ולא יימסו או יתרככו באווירה לא מחמצנת בטמפרטורה של 3000 ℃; הם לא יהפוך לשביר בטמפרטורות נוזל.

4. עמידות טובה בפני קורוזיה: סיבי פחמן אינרטיים לחומצות ויכולים לעמוד בחומצות חזקות כמו חומצה הידרוכלורית מרוכזת וחומצה גופרתית. יתר על כן, לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש גם מאפיינים כגון עמידות לקרינה, יציבות כימית טובה, יכולת לספוג גזים רעילים ומינון נויטרונים, מה שהופך אותם לשימושיים באופן נרחב בתעופה וחלל, בצבא ובתחומים רבים אחרים.

ארמיד, סיב אורגני המסונתז מפוליפתלאמידים ארומטיים, הופיע בסוף שנות ה-60. צפיפותו נמוכה מזו של סיבי פחמן. הוא בעל חוזק גבוה, תפוקה גבוהה, עמידות טובה בפני פגיעות, יציבות כימית טובה ועמידות בחום, ומחירו הוא רק חצי מזה של סיבי פחמן.סיבי ארמידבעלי בעיקר את המאפיינים הבאים:

1. תכונות מכניות טובות. סיב ארמיד הוא פולימר גמיש בעל חוזק מתיחה גבוה יותר מאשר פוליאסטרים, כותנה וניילון רגילים. יש לו התארכות רבה יותר, תחושה רכה למגע ויכולת סיבוב טובה, מה שמאפשר לייצר ממנו סיבים בעלי דקיקות ואורכים שונים.

2. מעכב בעירה ועמידות בחום מעולים. לארמיד יש מדד חמצן מגביל גדול מ-28, כך שהוא אינו ממשיך לבעור לאחר הוצאתו מהלהבה. יש לו יציבות תרמית טובה, ניתן להשתמש בו ברציפות ב-205 מעלות צלזיוס, ושומר על חוזק גבוה גם בטמפרטורות מעל 205 מעלות צלזיוס. במקביל, סיבי ארמיד בעלי טמפרטורת פירוק גבוהה, שומרים על חוזק גבוה גם בטמפרטורות גבוהות, ומתחילים להתפחם רק בטמפרטורות מעל 370 מעלות צלזיוס.

3. תכונות כימיות יציבות. סיבי ארמיד מפגינים עמידות מצוינת לרוב הכימיקלים, יכולים לעמוד בריכוזים הגבוהים ביותר של חומצות אנאורגניות, ובעלי עמידות טובה לאלקליות בטמפרטורת החדר.

4. תכונות מכניות מצוינות. הוא בעל תכונות מכניות יוצאות דופן כגון חוזק גבוה במיוחד, מודול גמישות גבוה ומשקל קל. חוזקו גדול פי 5-6 מחוט פלדה, מודול האלסטיות שלו גדול פי 2-3 מחוט פלדה או סיבי זכוכית, קשיחותו כפולה מחוט פלדה, ומשקלו הוא רק חמישית מחוט פלדה. סיבי פוליאמיד ארומטיים משמשים זה מכבר חומרי סיבים בעלי ביצועים גבוהים, המתאימים בעיקר לכלי לחץ בחלל ובתעופה עם דרישות מחמירות לאיכות וצורה.

סיב PBO פותח בארצות הברית בשנות ה-80 כחומר חיזוק לחומרים מרוכבים שפותחו עבור תעשיית התעופה והחלל. זהו אחד החברים המבטיחים ביותר במשפחת הפוליאמידים המכילה תרכובות ארומטיות הטרוציקליות והוא ידוע כסיב העל של המאה ה-21. לסיב PBO תכונות פיזיקליות וכימיות מצוינות; חוזקו, מודול האלסטיות ועמידותו בחום הם מהטובים ביותר מבין כל הסיבים. יתר על כן, לסיב PBO עמידות מצוינת בפני פגיעות, עמידות בפני שחיקה ויציבות ממדית, והוא קל משקל וגמיש, מה שהופך אותו לחומר טקסטיל אידיאלי. לסיב PBO המאפיינים העיקריים הבאים:

1. תכונות מכניות מצוינות. מוצרי סיבי PBO איכותיים בעלי חוזק של 5.8 GPa ומודול אלסטיות של 180 GPa, הגבוה ביותר מבין הסיבים הכימיים הקיימים.

2. יציבות תרמית מעולה. הוא יכול לעמוד בטמפרטורות של עד 600 מעלות צלזיוס, עם מדד גבול של 68. הוא אינו נשרף או מתכווץ בלהבה, ועמידותו בחום ועמידות הבעירה שלו גבוהים יותר מכל סיב אורגני אחר.

כסיב בעל ביצועים גבוהים במיוחד של המאה ה-21, לסיב PBO תכונות פיזיקליות, מכניות וכימיות יוצאות דופן. חוזקו ומודול האלסטיות שלו כפולים מאלה של סיב ארמיד, והוא בעל עמידות בחום ועמידות בעירה כמו פוליאמיד מטא-ארמיד. תכונותיו הפיזיקליות והכימיות עולות לחלוטין על אלו של סיב ארמיד. סיב PBO בקוטר 1 מ"מ יכול להרים חפץ במשקל של עד 450 ק"ג, וחוזקו גדול מפי 10 מזה של סיב פלדה.

סיב פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה במיוחד, המכונה גם סיב פוליאתילן בעל חוזק גבוה ומודול גבוה, הוא הסיב בעל החוזק הסגולי והמודול הסגולי הגבוהים ביותר בעולם. זהו סיב הטווי מפוליאתילן בעל משקל מולקולרי של מיליון עד 5 מיליון. סיבי פוליאתילן בעלי משקל מולקולרי גבוה במיוחד כוללים בעיקר את המאפיינים הבאים:

1. חוזק סגולי גבוה ומודולוס סגולי גבוה. חוזקו הסגולי גדול פי עשרה מזה של חוט פלדה באותו חתך רוחב, והמודול הסגולי שלו שני רק לסיב פחמן מיוחד. בדרך כלל, משקלו המולקולרי גדול מ-10, עם חוזק מתיחה של 3.5 GPa, מודול אלסטיות של 116 GPa והתארכות של 3.4%.

2. צפיפות נמוכה. צפיפותו היא בדרך כלל 0.97~0.98 גרם/סמ"ק, מה שמאפשר לו לצוף על פני מים.

3. התארכות נמוכה בשבירה. יש לו יכולת ספיגת אנרגיה חזקה, עמידות מצוינת בפני פגיעות וחיתוכים, עמידות מצוינת בפני מזג אוויר, והוא עמיד בפני קרניים אולטרה סגולות, נויטרונים וקרני גמא. הוא גם בעל ספיגת אנרגיה ספציפית גבוהה, קבוע דיאלקטרי נמוך, העברה גבוהה של גלים אלקטרומגנטיים ועמידות בפני קורוזיה כימית, כמו גם עמידות טובה בפני שחיקה וחיי כיפוף ארוכים.

לסיבי פוליאתילן יש תכונות מעולות רבות, המדגימות יתרון משמעותי ב...סיבים בעלי ביצועים גבוהיםשוק. מקווי עגינה בשדות נפט ימיים ועד חומרים מרוכבים קלים בעלי ביצועים גבוהים, הוא מציג יתרונות עצומים בלוחמה מודרנית, כמו גם במגזרי התעופה, החלל והימי, וממלא תפקיד מכריע בציוד הגנה ובתחומים אחרים.