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La capa interna de un recipiente a presión de fibra de vidrio es principalmente una estructura de revestimiento, cuya función principal es actuar como barrera de sellado para evitar fugas del gas o líquido a alta presión almacenado en su interior, a la vez que protege la capa externa de fibra de vidrio. Esta capa no se corroe por el material interno almacenado, y la capa externa es una capa de fibra de vidrio reforzada con resina, utilizada principalmente para soportar la mayor parte de la carga de presión dentro del recipiente a presión.

Estructura de un recipiente a presión de fibra enrollada: Los recipientes a presión de material compuesto se presentan principalmente en cuatro formas estructurales: cilíndrica, esférica, anular y rectangular. Un recipiente circular consta de una sección cilíndrica y dos tapas. Los recipientes a presión metálicos se fabrican con formas sencillas, con reservas de resistencia en dirección axial. Bajo presión interna, las tensiones longitudinales y latitudinales de un recipiente esférico son iguales, y representan la mitad de la tensión circunferencial de un recipiente cilíndrico. Los materiales metálicos tienen la misma resistencia en todas las direcciones; por lo tanto, los recipientes metálicos esféricos están diseñados para ofrecer la misma resistencia y tienen la masa mínima para un volumen y presión determinados. El estado de tensión de un recipiente esférico es ideal, y la pared del recipiente puede ser la más delgada. Sin embargo, debido a la mayor dificultad en la fabricación de recipientes esféricos, generalmente solo se utilizan en aplicaciones especiales, como las naves espaciales. Los contenedores con forma de anillo son poco comunes en la producción industrial, pero su estructura sigue siendo necesaria en ciertas situaciones específicas. Por ejemplo, las naves espaciales emplean esta estructura especial para aprovechar al máximo el espacio limitado. Los contenedores rectangulares se utilizan principalmente para optimizar el espacio cuando este es limitado, como los vagones cisterna rectangulares para automóviles y ferrocarriles. Estos contenedores suelen ser de baja presión o presión atmosférica, y se prefiere que sean más ligeros.

La complejidad estructural de los recipientes a presión de material compuesto, los cambios repentinos en las tapas y su espesor, así como la variabilidad en el espesor y ángulo de las tapas, dificultan el diseño, el análisis, el cálculo y el moldeo. En ocasiones, los recipientes a presión de material compuesto no solo requieren bobinado en las tapas con diferentes ángulos y relaciones de velocidad, sino que también requieren diferentes métodos de bobinado según la estructura. Además, debe considerarse 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 producción de bobinado.material compuestorecipientes a presión, produciendo así productos de recipientes a presión de material compuesto ligero que cumplen con los requisitos de diseño.

Materiales para recipientes a presión con fibra enrollada

La capa de fibra enrollada, como principal componente portante, debe poseer alta resistencia, alto módulo, baja densidad, estabilidad térmica, buena humectabilidad de la resina, buena procesabilidad del bobinado y una tensión uniforme del haz de fibras. Entre los materiales de fibra de refuerzo comúnmente utilizados para recipientes a presión compuestos ligeros se incluyen la fibra de carbono, la fibra de PBO, la fibra de aramida y la fibra de polietileno de peso molecular ultraalto.

Fibra de carbonoEs un material fibroso de carbono cuyo componente principal es el carbono. Se forma mediante la carbonización de precursores de fibras orgánicas a altas temperaturas y es un material de fibra de alto rendimiento con un contenido de carbono superior al 95 %. La fibra de carbono posee excelentes propiedades, y su investigación comenzó hace más de 100 años. Es un material de fibra bobinada de alto rendimiento, de alta resistencia, alto módulo y baja densidad, que se caracteriza principalmente por lo siguiente:

1. Baja densidad y peso ligero. La densidad de la fibra de carbono es de 1,7 a 2 g/cm³, equivalente a 1/4 de la densidad del acero y a la mitad de la densidad de la aleación de aluminio.

2. Alta resistencia y alto módulo: Su resistencia es de 4 a 5 veces mayor que la del acero, y su módulo elástico es de 5 a 6 veces mayor que el de las aleaciones de aluminio, presentando una recuperación elástica absoluta (Zhang Eryong y Sun Yan, 2020). La resistencia a la tracción y el módulo elástico de la fibra de carbono pueden alcanzar de 3500 a 6300 MPa y de 230 a 700 GPa, respectivamente.

3. Bajo coeficiente de expansión térmica: La conductividad térmica de la fibra de carbono disminuye con el aumento de la temperatura, lo que la hace resistente al enfriamiento y calentamiento rápidos. No se agrieta ni se enfría desde varios miles de grados Celsius hasta temperatura ambiente, y no se derrite ni se ablanda en una atmósfera no oxidante a 3000 °C; no se vuelve quebradiza a temperatura ambiente.

4. Buena resistencia a la corrosión: La fibra de carbono es inerte a los ácidos y soporta ácidos fuertes como el ácido clorhídrico concentrado y el ácido sulfúrico. Además, los compuestos de fibra de carbono poseen características como resistencia a la radiación, buena estabilidad química, capacidad de absorber gases tóxicos y moderación neutrónica, lo que los hace ampliamente aplicables en los sectores aeroespacial, militar y muchos otros.

La aramida, una fibra orgánica sintetizada a partir de poliftalamidas aromáticas, surgió a finales de la década de 1960. Su densidad es inferior a la de la fibra de carbono. Posee alta resistencia, alto rendimiento, buena resistencia al impacto, buena estabilidad química y resistencia al calor, y su precio es solo la mitad del de la fibra de carbono.fibras de aramidaTienen principalmente las siguientes características:

1. Buenas propiedades mecánicas. La fibra de aramida es un polímero flexible con mayor resistencia a la tracción que los poliésteres, el algodón y el nailon comunes. Presenta mayor elongación, tacto suave y buena hilabilidad, lo que permite su fabricación en fibras de diferente finura y longitud.

2. Excelente resistencia al fuego y al calor. La aramida tiene un índice de oxígeno limitante superior a 28, por lo que no continúa ardiendo después de retirarla de la llama. Presenta buena estabilidad térmica, puede utilizarse continuamente a 205 °C y mantiene una alta resistencia incluso a temperaturas superiores. Al mismo tiempo, las fibras de aramida tienen una alta temperatura de descomposición, lo que les permite mantener una alta resistencia incluso a altas temperaturas, y solo comienzan a carbonizarse a temperaturas superiores a 370 °C.

3. Propiedades químicas estables. Las fibras de aramida presentan una excelente resistencia a la mayoría de los productos químicos, soportan la mayoría de las altas concentraciones de ácidos inorgánicos y presentan buena resistencia a los álcalis a temperatura ambiente.

4. Excelentes propiedades mecánicas. Posee propiedades mecánicas excepcionales, como resistencia ultraalta, alto módulo y ligereza. Su resistencia es de 5 a 6 veces superior a la del alambre de acero, su módulo elástico es de 2 a 3 veces superior al del alambre de acero o la fibra de vidrio, su tenacidad es el doble que la del alambre de acero y su peso es solo una quinta parte del del alambre de acero. Las fibras de poliamida aromática se han utilizado ampliamente durante mucho tiempo como materiales de fibra de alto rendimiento, especialmente adecuados para recipientes a presión en la industria aeroespacial y de aviación con estrictos requisitos de calidad y forma.

La fibra de PBO se desarrolló en Estados Unidos en la década de 1980 como material de refuerzo para materiales compuestos desarrollados para la industria aeroespacial. Es uno de los miembros más prometedores de la familia de las poliamidas, que contienen compuestos aromáticos heterocíclicos, y se la conoce como la superfibra del siglo XXI. La fibra de PBO posee excelentes propiedades físicas y químicas; su resistencia, módulo elástico y resistencia al calor se encuentran entre los mejores de todas las fibras. Además, la fibra de PBO tiene una excelente resistencia al impacto, a la abrasión y estabilidad dimensional, además de ser ligera y flexible, lo que la convierte en un material textil ideal. La fibra de PBO tiene las siguientes características principales:

1. Excelentes propiedades mecánicas. Los productos de fibra de PBO de alta gama tienen una resistencia de 5,8 GPa y un módulo elástico de 180 GPa, el más alto entre las fibras químicas existentes.

2. Excelente estabilidad térmica. Soporta temperaturas de hasta 600 °C, con un índice límite de 68. No se quema ni se encoge con la llama, y ​​su resistencia al calor y su retardancia al fuego son superiores a las de cualquier otra fibra orgánica.

Como fibra de ultraalto rendimiento del siglo XXI, la fibra de PBO posee propiedades físicas, mecánicas y químicas excepcionales. Su resistencia y módulo elástico duplican a los de la fibra de aramida, y posee la resistencia al calor y la ignifugación de la poliamida metaaramida. Sus propiedades físicas y químicas superan con creces las de la fibra de aramida. Una fibra de PBO de 1 mm de diámetro puede levantar un objeto de hasta 450 kg y su resistencia es más de 10 veces superior a la de la fibra de acero.

Fibra de polietileno de peso molecular ultraaltoLa fibra de polietileno de alta resistencia y alto módulo, también conocida como fibra de polietileno de alta resistencia y alto módulo, es la fibra con la mayor resistencia y módulo específico del mundo. Se trata de una fibra hilada a partir de polietileno con un peso molecular de entre 1 y 5 millones. La fibra de polietileno de ultraalto peso molecular presenta principalmente las siguientes características:

1. Alta resistencia específica y alto módulo específico. Su resistencia específica es más de diez veces superior a la del alambre de acero de la misma sección transversal, y su módulo específico es superado únicamente por la fibra de carbono especial. Normalmente, su peso molecular es superior a 10, con una resistencia a la tracción de 3,5 GPa, un módulo elástico de 116 GPa y un alargamiento del 3,4 %.

2. Baja densidad. Su densidad es generalmente de 0,97 a 0,98 g/cm³, lo que le permite flotar en el agua.

3. Baja elongación a la rotura. Posee una gran capacidad de absorción de energía, excelente resistencia al impacto y al corte, excelente resistencia a la intemperie y a los rayos ultravioleta, neutrones y rayos gamma. También posee alta absorción de energía específica, baja constante dieléctrica, alta transmitancia de ondas electromagnéticas y resistencia a la corrosión química, así como buena resistencia al desgaste y una larga vida útil a la flexión.

La fibra de polietileno posee muchas propiedades superiores, lo que demuestra una ventaja significativa en lafibra de alto rendimientoMercado. Desde líneas de amarre en yacimientos petrolíferos marinos hasta materiales compuestos ligeros de alto rendimiento, presenta enormes ventajas en la guerra moderna, así como en los sectores de la aviación, aeroespacial y marítimo, desempeñando un papel crucial en equipos de defensa y otras áreas.