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La capa interna de un recipiente a presión de fibra enrollada 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, protegiendo a su vez la capa externa de fibra enrollada. Esta capa no se corroe por el material interno almacenado, y la capa externa es una capa de fibra enrollada reforzada con resina, utilizada principalmente para soportar la mayor parte de la carga de presión dentro del recipiente.

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 en formas simples, con reservas de resistencia adicionales en la dirección axial. Bajo presión interna, las tensiones longitudinales y transversales de un recipiente esférico son iguales, y la tensión circunferencial es la mitad de la de un recipiente cilíndrico. Los materiales metálicos tienen la misma resistencia en todas las direcciones; por lo tanto, los recipientes metálicos esféricos se diseñan para tener la misma resistencia y la mínima masa para un volumen y presión dados. 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 naves espaciales. Los contenedores en 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 en el caso de los vagones cisterna rectangulares para automóviles y ferrocarriles. Estos contenedores suelen ser recipientes a baja presión o a presión atmosférica, y se prefiere que sean ligeros.

La complejidad de la estructura del recipiente a presión de material compuesto, los cambios repentinos en las tapas de los extremos y su espesor, así como el espesor y el ángulo variables de las tapas de los extremos, plantean numerosas dificultades para el diseño, el análisis, el cálculo y el moldeo. En ocasiones, los recipientes a presión de material compuesto no solo requieren bobinado en diferentes ángulos y relaciones de velocidad en las tapas de los extremos, sino que también requieren diferentes métodos de bobinado según la estructura. Simultáneamente, 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 recipientes a presión de material compuesto ligero que cumplen con los requisitos de diseño.

Materiales para recipientes a presión reforzados con fibra.

La capa de fibras enrolladas, como componente principal de soporte de carga, debe poseer alta resistencia, alto módulo de elasticidad, baja densidad, estabilidad térmica, buena humectabilidad con la resina, buena procesabilidad del bobinado y una tensión uniforme del haz de fibras. Los materiales de fibra de refuerzo comúnmente utilizados para recipientes a presión compuestos ligeros incluyen fibra de carbono, fibra de PBO, fibra de aramida y fibra de polietileno de ultra alto peso molecular.

fibra de carbonoEs un material fibroso de carbono cuyo componente principal es el carbono. Se forma mediante la carbonización de precursores de fibra orgánica 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 la investigación sobre ella comenzó hace más de 100 años. Es un material de fibra enrollada de alto rendimiento, de alta resistencia, alto módulo y baja densidad, caracterizado principalmente por lo siguiente:

1. Baja densidad y peso ligero. La densidad de la fibra de carbono es de 1,7~2 g/cm³, equivalente a 1/4 de la densidad del acero y 1/2 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, mostrando 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 los 3500-6300 MPa y los 230-700 GPa, respectivamente.

3. Bajo coeficiente de dilatación térmica: La conductividad térmica de la fibra de carbono disminuye con el aumento de la temperatura, lo que la hace resistente a los cambios bruscos de temperatura. No se agrieta incluso después de enfriarse desde varios miles de grados Celsius hasta la temperatura ambiente, y no se funde ni se ablanda en una atmósfera no oxidante a 3000 °C; tampoco se vuelve quebradiza a temperaturas de líquido.

4. Buena resistencia a la corrosión: La fibra de carbono es inerte a los ácidos y puede soportar 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 absorción de gases tóxicos y moderación de neutrones, lo que los hace ampliamente aplicables en la industria aeroespacial, militar y muchos otros campos.

La aramida, una fibra orgánica sintetizada a partir de poliftalamidas aromáticas, surgió a finales de la década de 1960. Su densidad es menor que 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 aramidaPrincipalmente presentan 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. Posee mayor elongación, un tacto suave y buena hilabilidad, lo que permite obtener fibras de diferente finura y longitud.

2. Excelente resistencia a la llama y al calor. La aramida tiene un índice de oxígeno límite superior a 28, por lo que no continúa ardiendo tras ser retirada de la llama. Posee una buena estabilidad térmica, pudiendo utilizarse de forma continua a 205 °C, y mantiene una alta resistencia incluso a temperaturas superiores a 205 °C. Asimismo, las fibras de aramida tienen una alta temperatura de descomposición, lo que les permite mantener una alta resistencia incluso a temperaturas elevadas, 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, pueden soportar altas concentraciones de ácidos inorgánicos y tienen buena resistencia a los álcalis a temperatura ambiente.

4. Excelentes propiedades mecánicas. Posee propiedades mecánicas excepcionales, como una resistencia ultra alta, un módulo de elasticidad elevado y un peso ligero. Su resistencia es de 5 a 6 veces mayor que la del alambre de acero, su módulo de elasticidad es de 2 a 3 veces mayor que el 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 1/5 del del alambre de acero. Las fibras de poliamida aromática se han utilizado ampliamente como materiales de fibra de alto rendimiento, siendo especialmente adecuadas para recipientes a presión en la industria aeroespacial y aeronáutica, que requieren una calidad y forma muy estrictas.

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

1. Excelentes propiedades mecánicas. Los productos de fibra 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. Puede soportar temperaturas de hasta 600 ℃, con un índice límite de 68. No se quema ni se encoge con la llama, y ​​su resistencia al calor y retardo de llama son superiores a los de cualquier otra fibra orgánica.

Como fibra de ultra alto rendimiento del siglo XXI, la fibra PBO posee excepcionales propiedades físicas, mecánicas y químicas. Su resistencia y módulo elástico duplican los de la fibra de aramida, y posee la resistencia al calor y la ignifugación de la poliamida meta-aramida. Sus propiedades físicas y químicas superan con creces las de la fibra de aramida. Una fibra 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 ultra altoLa fibra de polietileno de ultra alto peso molecular, también conocida como fibra de polietileno de alta resistencia y alto módulo, es la fibra con la mayor resistencia específica y módulo específico del mundo. Se trata de una fibra hilada a partir de polietileno con un peso molecular de entre 1 millón y 5 millones. La fibra de polietileno de ultra alto 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 solo es superado por la fibra de carbono especial. Típicamente, su peso molecular es superior a 10, con una resistencia a la tracción de 3,5 GPa, un módulo elástico de 116 GPa y una elongación del 3,4 %.

2. Baja densidad. Su densidad es generalmente de 0,97~0,98 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 resistencia a los rayos ultravioleta, neutrones y rayos gamma. Además, cuenta con una 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 elfibra de alto rendimientomercado. Desde líneas de amarre en campos 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.