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KohlenstofffaserDer gewickelte Verbunddruckbehälter ist ein dünnwandiger Behälter, bestehend aus einer hermetisch abgedichteten Auskleidung und einer hochfesten, fasergewickelten Schicht, die hauptsächlich durch Faserwickel- und Webverfahren hergestellt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Metalldruckbehältern dient die Auskleidung von Verbunddruckbehältern der Speicherung, Abdichtung und dem Schutz vor chemischer Korrosion, während die Verbundschicht hauptsächlich die innere Druckbelastung aufnimmt. Dank der hohen spezifischen Festigkeit und der guten Konstruierbarkeit von Verbundwerkstoffen weisen Verbunddruckbehälter nicht nur eine deutlich verbesserte Tragfähigkeit auf, sondern reduzieren auch die Behältermasse im Vergleich zu herkömmlichen Metalldruckbehältern erheblich.
Die innere Schicht des faserverstärkten Druckbehälters ist im Wesentlichen eine Auskleidung, deren Hauptfunktion darin besteht, als Dichtungsbarriere das Austreten von unter hohem Druck stehenden Gasen oder Flüssigkeiten im Inneren zu verhindern und gleichzeitig die äußere Faserverbundschicht zu schützen. Diese Schicht wird durch das im Inneren gelagerte Material nicht korrodiert. Die äußere Schicht besteht aus einer mit einer Harzmatrix verstärkten Faserverbundschicht und dient hauptsächlich dazu, den Großteil der Druckbelastungen im Druckbehälter aufzunehmen.
1. Aufbau von fasergewickelten Druckbehältern
Es gibt vier Hauptbauformen von Verbunddruckbehältern: zylindrisch, kugelförmig, ringförmig und rechteckig. Ein zylindrischer Behälter besteht aus einem zylindrischen Querschnitt und zwei Böden. Metalldruckbehälter werden in einfachen Formen mit zusätzlichen Festigkeitsreserven in axialer Richtung gefertigt. Kugelförmige Behälter weisen unter Innendruck gleichmäßige Spannungen in Kett- und Schussrichtung auf und zeigen die Hälfte der Umfangsspannung zylindrischer Behälter. Da die Festigkeit des Metalls in alle Richtungen gleich ist, ist der aus Metall gefertigte Kugelbehälter auf gleichmäßige Festigkeit ausgelegt und hat bei gegebenem Volumen und Druck die geringste Masse. Der Kraftzustand eines Kugelbehälters ist optimal, und die Behälterwand kann am dünnsten ausgeführt werden. Aufgrund der größeren Herausforderungen bei der Herstellung von Kugelbehältern werden diese jedoch in der Regel nur in Raumfahrzeugen und anderen Spezialanwendungen eingesetzt. Ringförmige Behälter werden in der industriellen Fertigung sehr selten verwendet, kommen aber in bestimmten Fällen oder bei Bedarf zum Einsatz, beispielsweise in Raumfahrzeugen, um den begrenzten Raum optimal zu nutzen. Rechteckige Behälter kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn der Platz begrenzt ist und die Raumnutzung sowie die Nutzung von Strukturen maximiert werden sollen, wie z. B. rechteckige Kesselwagen für Kraftfahrzeuge, Kesselwagen für die Eisenbahn usw. Bei solchen Behältern handelt es sich im Allgemeinen um Niederdruckbehälter oder Behälter für Atmosphärendruck, und je leichter, desto besser.
Die Komplexität der Struktur derVerbundwerkstoffDie Beschaffenheit des Druckbehälters selbst, die plötzliche Änderung der Wandstärke im Bodenbereich sowie die variable Wandstärke und der Winkel des Bodens stellen erhebliche Herausforderungen für Konstruktion, Analyse, Berechnung und Formgebung dar. Verbunddruckbehälter müssen im Bodenbereich mitunter nicht nur in unterschiedlichen Winkeln und mit variierenden Geschwindigkeiten gewickelt werden, sondern es sind auch je nach Struktur unterschiedliche Wickelverfahren erforderlich. Gleichzeitig müssen praktische Faktoren wie der Reibungskoeffizient berücksichtigt werden. Daher ist nur eine korrekte und durchdachte Konstruktion möglich, um den Wickelprozess von Verbunddruckbehältern optimal zu steuern und so leichte Verbunddruckbehälter herzustellen, die den Konstruktionsanforderungen entsprechen.
2. Material des fasergewickelten Druckbehälters
Als Hauptlastträger muss die Faserwicklungsschicht hohe Festigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul, geringe Dichte, thermische Stabilität und gute Harzbenetzbarkeit sowie gute Verarbeitbarkeit und gleichmäßige Faserbündeldichte aufweisen. Zu den üblicherweise verwendeten Verstärkungsfasern für leichte Verbunddruckbehälter gehören:Kohlenstofffasern, PBO-Fasern,aromatische Polyaminfasernund UHMWPE-Fasern.