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A camada interna de um vaso de pressão com revestimento de fibra é essencialmente uma estrutura de revestimento, cuja principal função é atuar como uma barreira de vedação para evitar vazamentos do gás ou líquido de alta pressão armazenado em seu interior, protegendo também a camada externa de fibra. Esta camada não é corroída pelo material armazenado internamente, enquanto a camada externa é uma camada de fibra reforçada com resina, utilizada principalmente para suportar a maior parte da carga de pressão dentro do vaso.

A estrutura de um vaso de pressão com revestimento de fibra: Os vasos de pressão de material compósito apresentam-se principalmente em quatro formas estruturais: cilíndrica, esférica, anular e retangular. Um vaso circular consiste em uma seção cilíndrica e duas tampas. Os vasos de pressão metálicos são fabricados em formatos simples, com reservas de resistência excedentes na direção axial. Sob pressão interna, as tensões longitudinais e transversais de um vaso esférico são iguais, e a tensão circunferencial de um vaso cilíndrico é metade da tensão circunferencial. Os materiais metálicos possuem resistência igual em todas as direções; portanto, os vasos metálicos esféricos são projetados para terem resistência igual e massa mínima para um determinado volume e pressão. O estado de tensão de um vaso esférico é ideal, e a parede do vaso pode ser a mais fina possível. No entanto, devido à maior dificuldade de fabricação de vasos esféricos, eles geralmente são usados ​​apenas em aplicações especiais, como espaçonaves. Os recipientes em formato de anel são raros na produção industrial, mas sua estrutura ainda é necessária em certas situações específicas. Por exemplo, as espaçonaves empregam essa estrutura especial para aproveitar ao máximo o espaço limitado. Os contêineres retangulares são usados ​​principalmente para maximizar o aproveitamento do espaço quando este é limitado, como vagões-tanque retangulares para automóveis e vagões-tanque ferroviários. Esses contêineres são geralmente recipientes de baixa pressão ou pressão atmosférica, sendo preferível o menor peso possível.

A complexidade da estrutura dos vasos de pressão de material compósito, as mudanças abruptas nas tampas de extremidade e em sua espessura, bem como a variação na espessura e no ângulo dessas tampas, trazem muitas dificuldades para o projeto, análise, cálculo e moldagem. Por vezes, os vasos de pressão de material compósito exigem não apenas enrolamento em diferentes ângulos e relações de velocidade nas tampas de extremidade, mas também diferentes métodos de enrolamento, dependendo da estrutura. Simultaneamente, a influência de fatores práticos, como o coeficiente de atrito, deve ser considerada. Portanto, somente um projeto estrutural correto e adequado pode orientar apropriadamente o processo de produção de enrolamento.material compósitovasos de pressão, produzindo assim produtos de vasos de pressão em material compósito leve que atendem aos requisitos de projeto.

Materiais para vasos de pressão com revestimento de fibra

A camada de fibra enrolada, como principal componente de suporte de carga, deve possuir alta resistência, alto módulo de elasticidade, baixa densidade, estabilidade térmica, boa molhabilidade da resina, boa processabilidade de enrolamento e compactação uniforme do feixe de fibras. Os materiais de fibra de reforço comumente usados ​​para vasos de pressão compósitos leves incluem fibra de carbono, fibra de PBO, fibra de aramida e fibra de polietileno de ultra-alto peso molecular.

fibra de carbonoA fibra de carbono é um material fibroso de carbono cujo principal componente é o carbono. É formada pela carbonização de precursores de fibras orgânicas a altas temperaturas e é um material fibroso de alto desempenho com teor de carbono superior a 95%. A fibra de carbono possui excelentes propriedades e sua pesquisa começou há mais de 100 anos. É um material fibroso enrolado de alto desempenho, com alta resistência, alto módulo de elasticidade e baixa densidade, caracterizado principalmente por:

1. Baixa densidade e leveza. A densidade da fibra de carbono é de 1,7 a 2 g/cm³, equivalente a 1/4 da densidade do aço e 1/2 da densidade da liga de alumínio.

2. Alta resistência e alto módulo: Sua resistência é de 4 a 5 vezes maior que a do aço, e seu módulo de elasticidade é de 5 a 6 vezes maior que o das ligas de alumínio, apresentando recuperação elástica absoluta (Zhang Eryong e Sun Yan, 2020). A resistência à tração e o módulo de elasticidade da fibra de carbono podem atingir 3500-6300 MPa e 230-700 GPa, respectivamente.

3. Baixo coeficiente de expansão térmica: A condutividade térmica da fibra de carbono diminui com o aumento da temperatura, tornando-a resistente ao resfriamento e aquecimento rápidos. Ela não racha mesmo após ser resfriada de vários milhares de graus Celsius até a temperatura ambiente, e não derrete ou amolece em uma atmosfera não oxidante a 3000 °C; não se torna quebradiça em temperaturas líquidas.

4. Boa resistência à corrosão: A fibra de carbono é inerte a ácidos e pode suportar ácidos fortes, como o ácido clorídrico concentrado e o ácido sulfúrico. Além disso, os compósitos de fibra de carbono também possuem características como resistência à radiação, boa estabilidade química, capacidade de absorver gases tóxicos e moderação de nêutrons, tornando-os amplamente aplicáveis ​​nas áreas aeroespacial, militar e muitas outras.

A aramida, uma fibra orgânica sintetizada a partir de poliftalamidas aromáticas, surgiu no final da década de 1960. Sua densidade é menor que a da fibra de carbono. Possui alta resistência, alto rendimento, boa resistência ao impacto, boa estabilidade química e resistência ao calor, e seu preço é apenas metade do da fibra de carbono.Fibras de aramidaPossuem principalmente as seguintes características:

1. Boas propriedades mecânicas. A fibra de aramida é um polímero flexível com maior resistência à tração do que os poliésteres comuns, o algodão e o náilon. Possui maior alongamento, toque macio e boa capacidade de fiação, permitindo a produção de fibras de diferentes finuras e comprimentos.

2. Excelente resistência à chama e ao calor. A aramida possui um índice limite de oxigênio superior a 28, portanto, não continua a queimar após ser removida da chama. Apresenta boa estabilidade térmica, podendo ser utilizada continuamente a 205 °C, mantendo alta resistência mesmo em temperaturas acima dessa altitude. Simultaneamente, as fibras de aramida possuem alta temperatura de decomposição, mantendo alta resistência mesmo em altas temperaturas, e só começam a carbonizar a temperaturas acima de 370 °C.

3. Propriedades químicas estáveis. As fibras de aramida apresentam excelente resistência à maioria dos produtos químicos, suportam altas concentrações de ácidos inorgânicos e possuem boa resistência a álcalis em temperatura ambiente.

4. Excelentes propriedades mecânicas. Possui propriedades mecânicas excepcionais, como resistência ultra-alta, alto módulo de elasticidade e leveza. Sua resistência é de 5 a 6 vezes maior que a do fio de aço, seu módulo de elasticidade é de 2 a 3 vezes maior que o do fio de aço ou da fibra de vidro, sua tenacidade é o dobro da do fio de aço e seu peso é apenas 1/5 do peso do fio de aço. As fibras de poliamida aromática são materiais de fibra de alto desempenho amplamente utilizados há muito tempo, principalmente em vasos de pressão aeroespaciais e de aviação com requisitos rigorosos de qualidade e forma.

A fibra PBO foi desenvolvida nos Estados Unidos na década de 1980 como material de reforço para compósitos destinados à indústria aeroespacial. É um dos membros mais promissores da família das poliamidas, que contém compostos aromáticos heterocíclicos, e é conhecida como a superfibra do século XXI. A fibra PBO possui excelentes propriedades físicas e químicas; sua resistência, módulo de elasticidade e resistência ao calor estão entre as melhores de todas as fibras. Além disso, a fibra PBO apresenta excelente resistência ao impacto, à abrasão e estabilidade dimensional, sendo leve e flexível, o que a torna um material têxtil ideal. A fibra PBO possui as seguintes características principais:

1. Excelentes propriedades mecânicas. Os produtos de fibra PBO de alta qualidade apresentam uma resistência de 5,8 GPa e um módulo de elasticidade de 180 GPa, os mais altos entre as fibras químicas existentes.

2. Excelente estabilidade térmica. Suporta temperaturas de até 600 °C, com um índice limite de 68. Não queima nem encolhe na chama, e sua resistência ao calor e à chama são superiores às de qualquer outra fibra orgânica.

Como uma fibra de ultra-alto desempenho do século XXI, a fibra PBO possui propriedades físicas, mecânicas e químicas excepcionais. Sua resistência e módulo de elasticidade são o dobro dos da fibra de aramida, e ela apresenta a resistência ao calor e a retardância à chama da poliamida meta-aramida. Suas propriedades físicas e químicas superam completamente as da fibra de aramida. Uma fibra PBO com 1 mm de diâmetro pode levantar um objeto com peso de até 450 kg, e sua resistência é mais de 10 vezes superior à da fibra de aço.

Fibra de polietileno de ultra-alto peso molecularA fibra de polietileno de ultra-alto peso molecular (UHMWPE), também conhecida como fibra de polietileno de alta resistência e alto módulo, é a fibra com a maior resistência e módulo específicos do mundo. É uma fibra produzida a partir de polietileno com peso molecular entre 1 milhão e 5 milhões. A fibra de polietileno de ultra-alto peso molecular possui principalmente as seguintes características:

1. Alta resistência específica e alto módulo específico. Sua resistência específica é mais de dez vezes superior à de um fio de aço com a mesma seção transversal, e seu módulo específico só perde para o de fibras de carbono especiais. Tipicamente, seu peso molecular é superior a 10, com resistência à tração de 3,5 GPa, módulo de elasticidade de 116 GPa e alongamento de 3,4%.

2. Baixa densidade. Sua densidade é geralmente de 0,97 a 0,98 g/cm³, permitindo que flutue na água.

3. Baixa elongação na ruptura. Possui alta capacidade de absorção de energia, excelente resistência a impactos e cortes, excelente resistência às intempéries e é resistente a raios ultravioleta, nêutrons e raios gama. Apresenta também alta absorção de energia específica, baixa constante dielétrica, alta transmitância de ondas eletromagnéticas e resistência à corrosão química, além de boa resistência ao desgaste e longa vida útil à flexão.

A fibra de polietileno possui muitas propriedades superiores, demonstrando uma vantagem significativa emfibra de alto desempenhomercado. Desde cabos de amarração em campos petrolíferos offshore até materiais compósitos leves de alto desempenho, apresenta enormes vantagens na guerra moderna, bem como nos setores da aviação, aeroespacial e marítimo, desempenhando um papel crucial em equipamentos de defesa e outras áreas.