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fibra de carbonoLos recipientes a presión compuestos enrollados son recipientes de paredes delgadas que constan de un revestimiento herméticamente sellado y una capa de fibra enrollada de alta resistencia, formada principalmente mediante un proceso de enrollado y tejido de fibras. En comparación con los recipientes a presión metálicos tradicionales, el revestimiento de los recipientes compuestos sirve para almacenamiento, sellado y protección contra la corrosión química, mientras que la capa compuesta se utiliza principalmente para soportar la carga de presión interna. Gracias a la alta resistencia específica y la buena capacidad de diseño de los materiales compuestos, los recipientes a presión compuestos no solo han mejorado notablemente su capacidad de carga, sino que también han reducido significativamente su masa en comparación con los recipientes a presión metálicos tradicionales.
La capa interna del recipiente a presión de fibra enrollada es principalmente una estructura de revestimiento, cuya función principal es actuar como barrera de sellado para evitar fugas de gases o líquidos a alta presión almacenados en su interior, y al mismo tiempo proteger la capa externa de fibra enrollada. Esta capa no se corroe por el material almacenado internamente, mientras que la capa externa es una capa de fibra enrollada reforzada con una matriz de resina, que se utiliza principalmente para soportar la mayor parte de las cargas de presión dentro del recipiente.
1. Estructura de los recipientes a presión enrollados con fibras
Existen cuatro formas estructurales principales para los recipientes a presión compuestos: cilíndricos, esféricos, anulares y rectangulares. Un recipiente cilíndrico consta de una sección cilíndrica y dos tapas. Los recipientes a presión metálicos se fabrican con formas simples y reservas de resistencia adicionales en la dirección axial. Los recipientes esféricos presentan tensiones iguales en las direcciones de urdimbre y trama bajo presión interna y tienen la mitad de la tensión circunferencial de los recipientes cilíndricos. La resistencia del material metálico es igual en todas las direcciones, por lo que el contenedor esférico de metal se diseña para tener una resistencia uniforme y presenta la masa mínima cuando el volumen y la presión son determinados. El estado de fuerza del contenedor esférico es el más ideal, y la pared del contenedor también puede ser la más delgada. Sin embargo, debido a la mayor dificultad en la fabricación de contenedores esféricos, generalmente solo se utilizan en naves espaciales y otras aplicaciones especiales. Los contenedores anulares son muy raros en la producción industrial, pero en algunas ocasiones específicas o cuando se requiere esta estructura, por ejemplo, en vehículos espaciales para aprovechar al máximo el espacio limitado, se utiliza esta estructura especial. Los contenedores rectangulares se utilizan principalmente cuando el espacio es limitado, maximizando el uso del espacio y de las estructuras, como por ejemplo los vagones cisterna rectangulares para automóviles, los vagones cisterna para ferrocarriles, etc. Estos contenedores suelen ser de baja presión o de presión atmosférica, y cuanto más ligeros, mejor.
La complejidad de la estructura de lacompuestoEl propio recipiente a presión, el cambio repentino del espesor de la cabeza y el ángulo variable de la misma, entre otros factores, plantean numerosas dificultades para el diseño, el análisis, el cálculo y el moldeo. En ocasiones, los recipientes a presión compuestos no solo requieren un bobinado con diferentes ángulos y velocidades variables en la sección de la cabeza, sino también la adopción de distintos métodos de bobinado según la estructura. Asimismo, es necesario considerar la influencia de factores prácticos como el coeficiente de fricción. Por lo tanto, solo un diseño estructural correcto y razonable puede guiar adecuadamente el proceso de bobinado de los recipientes a presión compuestos, permitiendo así la producción de recipientes a presión compuestos ligeros que cumplan con los requisitos de diseño.
2. Material del recipiente a presión enrollado con fibra
Como parte principal de soporte de carga, la capa de bobinado de fibra debe tener alta resistencia, alto módulo, baja densidad, estabilidad térmica y buena humectabilidad de la resina, así como buena procesabilidad de bobinado y una tensión uniforme del haz de fibras. Las fibras de refuerzo comúnmente utilizadas para recipientes a presión compuestos ligeros incluyen:fibras de carbono, fibras PBO,fibras de poliamina aromáticay fibras de UHMWPE.