أخبار

تُعدّ الطبقة الداخلية لوعاء الضغط ذي الألياف الملفوفة في الأساس بطانةً، ووظيفتها الرئيسية هي العمل كحاجز مانع للتسرب لمنع تسرب الغاز أو السائل عالي الضغط المخزن بداخله، مع حماية الطبقة الخارجية ذات الألياف الملفوفة. لا تتأثر هذه الطبقة بالتآكل الناتج عن المواد المخزنة داخليًا، أما الطبقة الخارجية فهي طبقة من الألياف الملفوفة المدعمة بالراتنج، وتُستخدم أساسًا لتحمّل معظم حمل الضغط داخل وعاء الضغط.

بنية وعاء الضغط المصنوع من الألياف: تأتي أوعية الضغط المصنوعة من المواد المركبة بأربعة أشكال هيكلية رئيسية: أسطوانية، كروية، حلقية، ومستطيلة. يتكون الوعاء الدائري من مقطع أسطواني ورأسين. تُصنع أوعية الضغط المعدنية بأشكال بسيطة، مع احتياطيات قوة زائدة في الاتجاه المحوري. تحت الضغط الداخلي، تتساوى الإجهادات الطولية والعرضية في الوعاء الكروي، وهي نصف الإجهاد المحيطي في الوعاء الأسطواني. تتميز المواد المعدنية بقوة متساوية في جميع الاتجاهات؛ لذلك، تُصمم الأوعية المعدنية الكروية بقوة متساوية وبأقل كتلة ممكنة لحجم وضغط محددين. حالة الإجهاد في الوعاء الكروي مثالية، ويمكن تصنيع جدار الوعاء بأقل سماكة ممكنة. مع ذلك، ونظرًا لصعوبة تصنيع الأوعية الكروية، فإنها تُستخدم عمومًا في تطبيقات خاصة فقط، مثل المركبات الفضائية. تُعد الحاويات الحلقية نادرة في الإنتاج الصناعي، لكن هيكلها لا يزال ضروريًا في بعض الحالات المحددة. على سبيل المثال، تستخدم المركبات الفضائية هذا التصميم الخاص لتحقيق أقصى استفادة من المساحة المحدودة. وتُستخدم الحاويات المستطيلة بشكل أساسي لزيادة استغلال المساحة عند محدوديتها، مثل صهاريج نقل السيارات وسكك الحديد المستطيلة. وتكون هذه الحاويات عادةً ذات ضغط منخفض أو ضغط جوي، ويُفضل أن تكون خفيفة الوزن.

تُشكّل بنية أوعية الضغط المصنوعة من المواد المركبة، وما يصاحبها من تغيرات مفاجئة في أغطية الأطراف وسماكتها، بالإضافة إلى اختلاف سماكة وزاوية هذه الأغطية، تحدياتٍ جمّة في التصميم والتحليل والحساب والتشكيل. في بعض الأحيان، لا تتطلب أوعية الضغط المصنوعة من المواد المركبة لفّ الأغطية بزوايا وسرعات مختلفة فحسب، بل تتطلب أيضًا طرق لفّ مختلفة تبعًا لبنيتها. في الوقت نفسه، يجب مراعاة تأثير العوامل العملية، مثل معامل الاحتكاك. لذا، فإن التصميم الهيكلي الصحيح والمنطقي هو وحده الكفيل بتوجيه عملية إنتاج اللفّ بشكل سليم.مادة مركبةأوعية الضغط، وبالتالي إنتاج منتجات أوعية الضغط المصنوعة من مواد مركبة خفيفة الوزن والتي تلبي متطلبات التصميم.

مواد لأوعية الضغط الملفوفة بالألياف

يجب أن تتمتع الطبقة الملفوفة بالألياف، باعتبارها المكون الرئيسي الحامل للأحمال، بقوة عالية، ومعامل مرونة عالٍ، وكثافة منخفضة، وثبات حراري، وقابلية جيدة للترطيب بالراتنج، وسهولة في عملية اللف، وتماسك منتظم لحزم الألياف. تشمل مواد الألياف المقوية الشائعة الاستخدام لأوعية الضغط المركبة خفيفة الوزن ألياف الكربون، وألياف PBO، وألياف الأراميد، وألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي جدًا.

ألياف الكربونهي مادة كربونية ليفية مكونها الرئيسي الكربون. تُصنع عن طريق تفحيم مواد أولية من الألياف العضوية في درجات حرارة عالية، وهي مادة ليفية عالية الأداء تحتوي على نسبة كربون تتجاوز 95%. تتميز ألياف الكربون بخصائص ممتازة، وقد بدأ البحث فيها منذ أكثر من 100 عام. وهي مادة ليفية ملفوفة عالية الأداء، تتميز بقوة عالية، ومعامل مرونة عالٍ، وكثافة منخفضة، وتتسم بشكل أساسي بما يلي:

1. كثافة منخفضة ووزن خفيف. تبلغ كثافة ألياف الكربون 1.7 إلى 2 جم/سم³، أي ما يعادل ربع كثافة الفولاذ ونصف كثافة سبائك الألومنيوم.

٢. قوة عالية ومعامل مرونة عالٍ: تبلغ قوتها ٤-٥ أضعاف قوة الفولاذ، ومعامل مرونتها ٥-٦ أضعاف معامل مرونة سبائك الألومنيوم، مما يُظهر استعادة مرنة مطلقة (تشانغ إريونغ وسون يان، ٢٠٢٠). تصل قوة الشد ومعامل المرونة لألياف الكربون إلى ٣٥٠٠-٦٣٠٠ ميجا باسكال و٢٣٠-٧٠٠ جيجا باسكال على التوالي.

3. معامل تمدد حراري منخفض: تنخفض الموصلية الحرارية لألياف الكربون مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يجعلها مقاومة للتبريد والتسخين السريعين. فهي لا تتشقق حتى بعد تبريدها من عدة آلاف من الدرجات المئوية إلى درجة حرارة الغرفة، ولا تنصهر أو تلين في جو غير مؤكسد عند 3000 درجة مئوية؛ كما أنها لا تصبح هشة عند درجات حرارة السائل.

4. مقاومة جيدة للتآكل: ألياف الكربون خاملة تجاه الأحماض، وتتحمل الأحماض القوية مثل حمض الهيدروكلوريك المركز وحمض الكبريتيك. علاوة على ذلك، تتميز مركبات ألياف الكربون بخصائص أخرى مثل مقاومة الإشعاع، والاستقرار الكيميائي الجيد، والقدرة على امتصاص الغازات السامة، وتهدئة النيوترونات، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء، والمجالات العسكرية، وغيرها الكثير.

ظهر الأراميد، وهو ألياف عضوية مصنعة من متعددات الفثالاميد العطرية، في أواخر الستينيات. كثافته أقل من كثافة ألياف الكربون. يتميز بقوة عالية، وعائد مرتفع، ومقاومة جيدة للصدمات، وثبات كيميائي جيد، ومقاومة للحرارة، وسعره نصف سعر ألياف الكربون فقط.ألياف الأراميدتتميز بشكل رئيسي بالخصائص التالية:

1. خصائص ميكانيكية جيدة. ألياف الأراميد بوليمر مرن يتميز بقوة شد أعلى من البوليستر العادي والقطن والنايلون. كما أنها تتمتع باستطالة أكبر، وملمس ناعم، وقابلية جيدة للغزل، مما يسمح بتصنيعها إلى ألياف ذات نعومة وأطوال مختلفة.

٢. مقاومة ممتازة للهب والحرارة. يتميز الأراميد بمؤشر أكسجين محدود يزيد عن ٢٨، لذا فهو لا يستمر في الاحتراق بعد إزالته من اللهب. يتمتع بثبات حراري جيد، ويمكن استخدامه بشكل متواصل عند ٢٠٥ درجة مئوية، ويحافظ على قوته العالية حتى في درجات حرارة أعلى من ٢٠٥ درجة مئوية. في الوقت نفسه، تتميز ألياف الأراميد بدرجة حرارة تحلل عالية، مما يحافظ على قوتها العالية حتى في درجات الحرارة المرتفعة، ولا تبدأ بالتفحم إلا عند درجات حرارة أعلى من ٣٧٠ درجة مئوية.

3. خصائص كيميائية مستقرة. تتميز ألياف الأراميد بمقاومة ممتازة لمعظم المواد الكيميائية، ويمكنها تحمل معظم التركيزات العالية من الأحماض غير العضوية، ولها مقاومة جيدة للقلويات في درجة حرارة الغرفة.

4. خصائص ميكانيكية ممتازة. يتميز هذا المنتج بخصائص ميكانيكية فائقة، مثل القوة العالية جدًا، ومعامل المرونة العالي، والوزن الخفيف. تبلغ قوته 5-6 أضعاف قوة سلك الفولاذ، ومعامل مرونته 2-3 أضعاف معامل مرونة سلك الفولاذ أو الألياف الزجاجية، ومتانته ضعف متانة سلك الفولاذ، بينما لا يتجاوز وزنه خُمس وزن سلك الفولاذ. لطالما كانت ألياف البولي أميد العطرية من المواد الليفية عالية الأداء واسعة الانتشار، وهي مناسبة بشكل أساسي لأوعية الضغط في صناعة الطيران والفضاء، والتي تتطلب معايير صارمة للجودة والشكل.

طُوِّرت ألياف PBO في الولايات المتحدة الأمريكية خلال ثمانينيات القرن الماضي كمادة مُقوِّية للمواد المركبة المُستخدمة في صناعة الطيران والفضاء. تُعدّ هذه الألياف من أبرز أنواع البولي أميدات التي تحتوي على مركبات عطرية غير متجانسة، وتُعرف باسم "الألياف الفائقة" للقرن الحادي والعشرين. تتميز ألياف PBO بخصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة؛ إذ تُصنَّف قوتها ومعامل مرونتها ومقاومتها للحرارة ضمن الأفضل بين جميع الألياف. علاوة على ذلك، تتمتع ألياف PBO بمقاومة فائقة للصدمات والتآكل، وثبات في الأبعاد، كما أنها خفيفة الوزن ومرنة، مما يجعلها مادة نسيجية مثالية. تتميز ألياف PBO بالخصائص الرئيسية التالية:

1. خصائص ميكانيكية ممتازة. تتميز منتجات ألياف PBO عالية الجودة بقوة تبلغ 5.8 جيجا باسكال ومعامل مرونة يبلغ 180 جيجا باسكال، وهي الأعلى بين الألياف الكيميائية الموجودة.

2. يتميز بثبات حراري ممتاز. فهو يتحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية، بمؤشر حد يبلغ 68. ولا يحترق أو ينكمش في اللهب، كما أن مقاومته للحرارة ومقاومته للاشتعال أعلى من أي ألياف عضوية أخرى.

باعتبارها أليافًا فائقة الأداء من القرن الحادي والعشرين، تتمتع ألياف PBO بخصائص فيزيائية وميكانيكية وكيميائية متميزة. فقوتها ومعامل مرونتها ضعف قوة ألياف الأراميد، كما أنها تتمتع بمقاومة للحرارة ومقاومة للاشتعال تضاهي بولي أميد ميتا-أراميد. وتتفوق خصائصها الفيزيائية والكيميائية تمامًا على ألياف الأراميد. إذ يمكن لألياف PBO بقطر 1 مم رفع جسم يصل وزنه إلى 450 كجم، وتفوق قوتها قوة ألياف الصلب بأكثر من عشرة أضعاف.

ألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي للغايةيُعرف أيضًا باسم ألياف البولي إيثيلين عالية القوة وعالية معامل المرونة، وهو الألياف التي تتمتع بأعلى قوة نوعية ومعامل مرونة نوعي في العالم. وهي ألياف مغزولة من البولي إيثيلين بوزن جزيئي يتراوح بين مليون وخمسة ملايين. تتميز ألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي جدًا بالخصائص التالية:

1. يتميز بقوة نوعية عالية ومعامل مرونة نوعي عالٍ. تزيد قوته النوعية عن عشرة أضعاف قوة سلك الفولاذ ذي المقطع العرضي نفسه، ولا يتفوق عليه في معامل المرونة النوعي سوى ألياف الكربون الخاصة. عادةً، يكون وزنه الجزيئي أكبر من 10، مع قوة شد تبلغ 3.5 جيجا باسكال، ومعامل مرونة يبلغ 116 جيجا باسكال، واستطالة تبلغ 3.4%.

2. كثافة منخفضة. تبلغ كثافته عمومًا 0.97~0.98 جم/سم³، مما يسمح له بالطفو على الماء.

3. استطالة منخفضة عند الكسر. يتميز بقدرة عالية على امتصاص الطاقة، ومقاومة ممتازة للصدمات والقطع، ومقاومة فائقة للعوامل الجوية، ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية والنيوترونات وأشعة جاما. كما يتميز بقدرة عالية على امتصاص الطاقة النوعية، وثابت عزل كهربائي منخفض، ونفاذية عالية للموجات الكهرومغناطيسية، ومقاومة للتآكل الكيميائي، بالإضافة إلى مقاومة جيدة للتآكل وعمر انحناء طويل.

تتمتع ألياف البولي إيثيلين بالعديد من الخصائص الفائقة، مما يدل على ميزة كبيرة فيألياف عالية الأداءالسوق. من خطوط الإرساء في حقول النفط البحرية إلى المواد المركبة خفيفة الوزن عالية الأداء، فإنه يُظهر مزايا هائلة في الحرب الحديثة، وكذلك في قطاعات الطيران والفضاء والبحرية، ويلعب دورًا حاسمًا في المعدات الدفاعية وغيرها من المجالات.