ข่าว

ชั้นในของภาชนะรับแรงดันที่พันด้วยเส้นใยนั้นส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างบุภายใน ซึ่งมีหน้าที่หลักคือทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นเพื่อป้องกันการรั่วไหลของก๊าซหรือของเหลวที่มีแรงดันสูงที่เก็บอยู่ภายใน ขณะเดียวกันก็ปกป้องชั้นนอกที่พันด้วยเส้นใยด้วย ชั้นนี้จะไม่ถูกกัดกร่อนโดยวัสดุที่เก็บอยู่ภายใน และชั้นนอกเป็นชั้นที่พันด้วยเส้นใยเสริมด้วยเรซิน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อรับภาระแรงดันส่วนใหญ่ภายในภาชนะรับแรงดัน

โครงสร้างของภาชนะรับแรงดันแบบพันเส้นใย: ภาชนะรับแรงดันที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่มีโครงสร้างหลัก 4 รูปทรง ได้แก่ ทรงกระบอก ทรงกลม ทรงวงแหวน และทรงสี่เหลี่ยม ภาชนะทรงกลมประกอบด้วยส่วนทรงกระบอกและส่วนหัวสองส่วน ภาชนะรับแรงดันที่ทำจากโลหะผลิตขึ้นในรูปทรงที่เรียบง่าย โดยมีความแข็งแรงสำรองมากเกินไปในทิศทางตามแนวแกน ภายใต้แรงดันภายใน ความเค้นตามแนวยาวและแนวขวางของภาชนะทรงกลมจะเท่ากัน และมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของความเค้นตามแนวเส้นรอบวงของภาชนะทรงกระบอก วัสดุโลหะมีความแข็งแรงเท่ากันในทุกทิศทาง ดังนั้นภาชนะโลหะทรงกลมจึงได้รับการออกแบบให้มีความแข็งแรงเท่ากันและมีมวลน้อยที่สุดสำหรับปริมาตรและแรงดันที่กำหนด สภาวะความเค้นของภาชนะทรงกลมนั้นเหมาะสมที่สุด และผนังภาชนะสามารถทำได้บางที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยากลำบากในการผลิตภาชนะทรงกลมมากกว่า จึงมักใช้เฉพาะในงานพิเศษ เช่น ยานอวกาศ ภาชนะทรงวงแหวนนั้นหายากในการผลิตทางอุตสาหกรรม แต่โครงสร้างของมันยังคงมีความจำเป็นในบางสถานการณ์เฉพาะ ตัวอย่างเช่น ยานอวกาศใช้โครงสร้างพิเศษนี้เพื่อใช้พื้นที่ที่มีอยู่อย่างจำกัดให้เกิดประโยชน์สูงสุด ภาชนะทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าส่วนใหญ่ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พื้นที่ให้สูงสุดเมื่อพื้นที่จำกัด เช่น รถถังบรรทุกน้ำมันทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าสำหรับรถยนต์และรถถังบรรทุกน้ำมันสำหรับรถไฟ ภาชนะเหล่านี้โดยทั่วไปเป็นภาชนะรับแรงดันต่ำหรือแรงดันบรรยากาศ และมักต้องการภาชนะที่มีน้ำหนักเบา

ความซับซ้อนของโครงสร้างภาชนะรับแรงดันที่ทำจากวัสดุผสม การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของฝาปิดปลายและความหนา รวมถึงความหนาและมุมที่แปรผันของฝาปิดปลาย ทำให้เกิดความยากลำบากมากมายในการออกแบบ วิเคราะห์ คำนวณ และขึ้นรูป บางครั้ง ภาชนะรับแรงดันที่ทำจากวัสดุผสมไม่เพียงแต่ต้องการการพันด้วยมุมและความเร็วที่แตกต่างกันในฝาปิดปลายเท่านั้น แต่ยังต้องการวิธีการพันที่แตกต่างกันไปตามโครงสร้างด้วย ในขณะเดียวกัน ต้องพิจารณาถึงอิทธิพลของปัจจัยทางปฏิบัติ เช่น สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ดังนั้น การออกแบบโครงสร้างที่ถูกต้องและเหมาะสมเท่านั้นที่จะสามารถชี้นำกระบวนการผลิตการพันได้อย่างถูกต้องวัสดุผสมภาชนะรับแรงดัน จึงสามารถผลิตภาชนะรับแรงดันจากวัสดุคอมโพสิตน้ำหนักเบาที่ตรงตามข้อกำหนดด้านการออกแบบได้

วัสดุสำหรับภาชนะรับแรงดันแบบพันเส้นใย

ชั้นเส้นใยที่พันรอบนั้นเป็นส่วนประกอบหลักที่รับน้ำหนัก ซึ่งต้องมีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น ความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง ความหนาแน่นต่ำ เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี การดูดซับเรซินที่ดี กระบวนการพันเส้นใยที่ดี และความแน่นของกลุ่มเส้นใยที่สม่ำเสมอ วัสดุเส้นใยเสริมแรงที่นิยมใช้กันทั่วไปสำหรับภาชนะรับแรงดันคอมโพสิตน้ำหนักเบา ได้แก่ เส้นใยคาร์บอน เส้นใย PBO เส้นใยอะรามิด และเส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก

คาร์บอนไฟเบอร์เส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุคาร์บอนเส้นใยที่มีส่วนประกอบหลักเป็นคาร์บอน เกิดจากการนำสารตั้งต้นเส้นใยอินทรีย์มาเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูง และเป็นวัสดุเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95% เส้นใยคาร์บอนมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม และมีการวิจัยเกี่ยวกับเส้นใยคาร์บอนมานานกว่า 100 ปีแล้ว เป็นวัสดุเส้นใยพันเกลียวประสิทธิภาพสูงที่มีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง และความหนาแน่นต่ำ โดยมีคุณสมบัติหลักดังต่อไปนี้:

1. ความหนาแน่นต่ำและน้ำหนักเบา ความหนาแน่นของเส้นใยคาร์บอนอยู่ที่ 1.7~2 กรัม/ซม³ ซึ่งเทียบเท่ากับ 1/4 ของความหนาแน่นของเหล็ก และ 1/2 ของความหนาแน่นของโลหะผสมอะลูมิเนียม

2. ความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูง: ความแข็งแรงสูงกว่าเหล็ก 4-5 เท่า และโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียม 5-6 เท่า แสดงให้เห็นถึงการคืนตัวแบบยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ (Zhang Eryong และ Sun Yan, 2020) ความแข็งแรงดึงและโมดูลัสความยืดหยุ่นของเส้นใยคาร์บอนสามารถสูงถึง 3500-6300 MPa และ 230-700 GPa ตามลำดับ

3. ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ: ค่าการนำความร้อนของเส้นใยคาร์บอนจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้ทนต่อการเย็นตัวและการร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว จะไม่แตกหักแม้หลังจากเย็นตัวลงจากหลายพันองศาเซลเซียสจนถึงอุณหภูมิห้อง และจะไม่ละลายหรืออ่อนตัวในบรรยากาศที่ไม่เกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 3000 องศาเซลเซียส อีกทั้งยังไม่เปราะแตกง่ายที่อุณหภูมิของเหลว

4. ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี: เส้นใยคาร์บอนไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและสามารถทนต่อกรดเข้มข้น เช่น กรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟิวริกเข้มข้นได้ นอกจากนี้ วัสดุคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนยังมีคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความต้านทานต่อรังสี ความเสถียรทางเคมีที่ดี ความสามารถในการดูดซับก๊าซพิษ และการลดความเร็วของนิวตรอน ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางในด้านอวกาศ การทหาร และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย

อะรามิด เส้นใยอินทรีย์ที่สังเคราะห์จากโพลีฟทาลาไมด์อะโรมาติก ปรากฏขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ความหนาแน่นของมันต่ำกว่าเส้นใยคาร์บอน มีคุณสมบัติเด่นคือ ความแข็งแรงสูง ผลผลิตสูง ทนต่อแรงกระแทกได้ดี มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี ทนความร้อนได้ดี และมีราคาเพียงครึ่งหนึ่งของเส้นใยคาร์บอนเส้นใยอะรามิดโดยส่วนใหญ่มีลักษณะดังต่อไปนี้:

1. คุณสมบัติเชิงกลที่ดี เส้นใยอะรามิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและมีความแข็งแรงดึงมากกว่าโพลีเอสเตอร์ ฝ้าย และไนลอนทั่วไป มีความยืดหยุ่นสูง สัมผัสนุ่ม และปั่นได้ดี ทำให้สามารถผลิตเป็นเส้นใยที่มีความละเอียดและความยาวแตกต่างกันได้

2. มีคุณสมบัติหน่วงไฟและทนความร้อนได้ดีเยี่ยม เส้นใยอะรามิดมีดัชนีออกซิเจนจำกัดมากกว่า 28 ดังนั้นจึงไม่ลุกไหม้ต่อหลังจากนำออกจากเปลวไฟ มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี สามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 205℃ และยังคงความแข็งแรงสูงแม้ในอุณหภูมิที่สูงกว่า 205℃ ในขณะเดียวกัน เส้นใยอะรามิดมีอุณหภูมิการสลายตัวสูง ยังคงความแข็งแรงสูงแม้ในอุณหภูมิสูง และจะเริ่มเปลี่ยนเป็นคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงกว่า 370℃ เท่านั้น

3. คุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร เส้นใยอะรามิดมีความทนทานต่อสารเคมีส่วนใหญ่ได้ดีเยี่ยม สามารถทนต่อกรดอนินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูงได้ และมีความทนทานต่อด่างได้ดีที่อุณหภูมิห้อง

4. คุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม เส้นใยโพลีอะไมด์มีคุณสมบัติเชิงกลที่โดดเด่น เช่น ความแข็งแรงสูงมาก โมดูลัสสูง และน้ำหนักเบา ความแข็งแรงของมันสูงกว่าลวดเหล็ก 5-6 เท่า โมดูลัสยืดหยุ่นสูงกว่าลวดเหล็กหรือใยแก้ว 2-3 เท่า ความเหนียวเป็นสองเท่าของลวดเหล็ก และน้ำหนักเพียง 1/5 ของลวดเหล็ก เส้นใยโพลีอะไมด์อะโรมาติกเป็นวัสดุเส้นใยประสิทธิภาพสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมานานแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับภาชนะรับแรงดันในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดด้านคุณภาพและรูปร่าง

เส้นใย PBO ถูกพัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1980 ในฐานะวัสดุเสริมแรงสำหรับวัสดุคอมโพสิตที่พัฒนาขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เป็นหนึ่งในสมาชิกที่มีศักยภาพมากที่สุดในตระกูลโพลีอะไมด์ที่มีสารประกอบอะโรมาติกเฮเทอโรไซคลิก และได้รับการยกย่องว่าเป็นสุดยอดเส้นใยแห่งศตวรรษที่ 21 เส้นใย PBO มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ยอดเยี่ยม ความแข็งแรง โมดูลัสความยืดหยุ่น และความทนทานต่อความร้อนอยู่ในระดับดีเยี่ยม ยิ่งไปกว่านั้น เส้นใย PBO ยังมีความทนทานต่อแรงกระแทก ความทนทานต่อการเสียดสี และความคงตัวของมิติที่ดีเยี่ยม อีกทั้งยังมีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่น ทำให้เป็นวัสดุสิ่งทอที่เหมาะสมอย่างยิ่ง เส้นใย PBO มีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้:

1. คุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม ผลิตภัณฑ์เส้นใย PBO ระดับไฮเอนด์มีความแข็งแรง 5.8 GPa และโมดูลัสความยืดหยุ่น 180 GPa ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเส้นใยเคมีที่มีอยู่

2. มีเสถียรภาพทางความร้อนดีเยี่ยม สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 600℃ โดยมีค่าดัชนีจำกัดที่ 68 ไม่ไหม้หรือหดตัวเมื่อสัมผัสกับเปลวไฟ และมีความทนทานต่อความร้อนและการหน่วงไฟสูงกว่าเส้นใยอินทรีย์ชนิดอื่นๆ

เส้นใย PBO เป็นเส้นใยประสิทธิภาพสูงพิเศษแห่งศตวรรษที่ 21 มีคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และทางเคมีที่โดดเด่น ความแข็งแรงและโมดูลัสความยืดหยุ่นของมันสูงกว่าเส้นใยอะรามิดถึงสองเท่า และมีคุณสมบัติทนความร้อนและหน่วงไฟได้ดีเช่นเดียวกับเมตาอะรามิดโพลีอะไมด์ คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของมันเหนือกว่าเส้นใยอะรามิดอย่างสิ้นเชิง เส้นใย PBO ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. สามารถยกวัตถุที่มีน้ำหนักได้ถึง 450 กก. และมีความแข็งแรงมากกว่าเส้นใยเหล็กถึง 10 เท่า

เส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากเส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูง หรือที่รู้จักกันในชื่อเส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะสูงที่สุดในโลก เป็นเส้นใยที่ปั่นจากโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุล 1 ล้านถึง 5 ล้าน เส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมากนี้มีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้:

1. มีความแข็งแรงจำเพาะสูงและโมดูลัสจำเพาะสูง ความแข็งแรงจำเพาะของมันมากกว่าลวดเหล็กที่มีหน้าตัดเท่ากันถึงสิบเท่า และโมดูลัสจำเพาะเป็นรองเพียงเส้นใยคาร์บอนชนิดพิเศษเท่านั้น โดยทั่วไป น้ำหนักโมเลกุลจะมากกว่า 10 มีความแข็งแรงดึง 3.5 GPa โมดูลัสยืดหยุ่น 116 GPa และการยืดตัว 3.4%

2. ความหนาแน่นต่ำ โดยทั่วไปมีความหนาแน่น 0.97~0.98 กรัม/ซม³ ทำให้สามารถลอยน้ำได้

3. มีค่าการยืดตัวต่ำเมื่อขาด มีความสามารถในการดูดซับพลังงานสูง ทนต่อแรงกระแทกและการตัดได้ดีเยี่ยม ทนต่อสภาพอากาศได้ดีเยี่ยม และทนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต นิวตรอน และรังสีแกมมา นอกจากนี้ยังมีค่าการดูดซับพลังงานจำเพาะสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ การส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสูง และทนต่อการกัดกร่อนทางเคมี รวมทั้งมีความทนทานต่อการสึกหรอที่ดีและมีอายุการใช้งานในการดัดงอที่ยาวนาน

เส้นใยโพลีเอทิลีนมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าหลายประการ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านต่างๆเส้นใยประสิทธิภาพสูงในตลาด ตั้งแต่สายจอดเรือในแหล่งน้ำมันนอกชายฝั่งไปจนถึงวัสดุคอมโพสิตน้ำหนักเบาประสิทธิภาพสูง เทคโนโลยีนี้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบอย่างมากในสงครามสมัยใหม่ รวมถึงในภาคการบิน อวกาศ และการเดินเรือ โดยมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์ป้องกันและด้านอื่นๆ