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Die innere Schicht eines faserverstärkten Druckbehälters dient primär als Auskleidung und bildet eine Dichtungsschicht, die das Austreten des darin gespeicherten Hochdruckgases oder der Flüssigkeit verhindert und gleichzeitig die äußere Faserschicht schützt. Diese wird durch das im Inneren gespeicherte Material nicht korrodiert. Die äußere Schicht besteht aus harzverstärkter Faserwicklung und trägt den größten Teil der Druckbelastung im Druckbehälter.

Aufbau eines faserverstärkten Druckbehälters: Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen gibt es hauptsächlich in vier Bauformen: zylindrisch, kugelförmig, ringförmig und rechteckig. Ein kreisförmiger Behälter besteht aus einem zylindrischen Abschnitt und zwei Böden. Metallische Druckbehälter werden in einfachen Formen mit erhöhter axialer Festigkeit gefertigt. Unter Innendruck sind die Längs- und Querspannungen eines kugelförmigen Behälters gleich groß und betragen die Hälfte der Umfangsspannung eines zylindrischen Behälters. Metalle weisen in alle Richtungen die gleiche Festigkeit auf; daher sind kugelförmige Metallbehälter so konstruiert, dass sie eine gleichmäßige Festigkeit und die geringste Masse für ein gegebenes Volumen und einen gegebenen Druck aufweisen. Der Spannungszustand eines kugelförmigen Behälters ist ideal, und die Behälterwand kann am dünnsten ausgeführt werden. Aufgrund der größeren Herausforderung bei der Herstellung kugelförmiger Behälter werden diese jedoch in der Regel nur in Spezialanwendungen wie Raumfahrzeugen eingesetzt. Ringförmige Behälter sind in der industriellen Fertigung selten, ihre Struktur ist aber in bestimmten Situationen dennoch notwendig. Beispielsweise nutzen Raumfahrzeuge diese spezielle Struktur, um den begrenzten Raum optimal auszunutzen. Rechteckige Behälter werden hauptsächlich zur maximalen Raumausnutzung bei beengten Platzverhältnissen eingesetzt, wie beispielsweise rechteckige Kesselwagen für Automobile und Eisenbahnkesselwagen. Bei diesen Behältern handelt es sich im Allgemeinen um Niederdruck- oder Atmosphärendruckbehälter, wobei ein geringeres Gewicht bevorzugt wird.

Die komplexe Struktur von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen, die abrupten Änderungen der Endkappen und ihrer Dicke sowie die variable Dicke und der Winkel der Endkappen stellen erhebliche Herausforderungen für Konstruktion, Analyse, Berechnung und Formgebung dar. Manchmal erfordern Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen nicht nur das Wickeln der Endkappen mit unterschiedlichen Winkeln und Geschwindigkeiten, sondern je nach Struktur auch unterschiedliche Wickelverfahren. Gleichzeitig müssen praktische Faktoren wie der Reibungskoeffizient berücksichtigt werden. Daher kann nur eine korrekte und durchdachte Konstruktion den Wickelprozess optimal steuern.VerbundwerkstoffDruckbehälter und damit die Herstellung von leichten Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen, die den Konstruktionsanforderungen entsprechen.

Werkstoffe für fasergewickelte Druckbehälter

Die fasergewickelte Schicht muss als Hauptlastträger hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul, geringe Dichte, thermische Stabilität, gute Harzbenetzbarkeit, gute Wickelbarkeit und gleichmäßige Faserbündeldichte aufweisen. Gängige Verstärkungsfasern für leichte Verbunddruckbehälter sind Kohlenstofffasern, PBO-Fasern, Aramidfasern und ultrahochmolekulare Polyethylenfasern.

KohlenstofffaserKohlenstofffaser ist ein faserförmiger Kohlenstoffwerkstoff, dessen Hauptbestandteil Kohlenstoff ist. Sie entsteht durch die Karbonisierung organischer Faservorstufen bei hohen Temperaturen und ist ein Hochleistungsfaserwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von über 95 %. Kohlenstofffaser besitzt hervorragende Eigenschaften, und die Forschung an ihr begann vor über 100 Jahren. Es handelt sich um einen hochfesten, hochmoduligen und leichten Hochleistungsfaserwerkstoff, der sich hauptsächlich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:

1. Niedrige Dichte und geringes Gewicht. Die Dichte von Kohlenstofffasern beträgt 1,7–2 g/cm³, was etwa einem Viertel der Dichte von Stahl und der Hälfte der Dichte von Aluminiumlegierungen entspricht.

2. Hohe Festigkeit und hoher Elastizitätsmodul: Die Festigkeit ist 4- bis 5-mal höher als die von Stahl, und der Elastizitätsmodul ist 5- bis 6-mal höher als der von Aluminiumlegierungen. Kohlenstofffasern weisen eine vollständige elastische Rückstellung auf (Zhang Eryong und Sun Yan, 2020). Die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul von Kohlenstofffasern können Werte von 3500–6300 MPa bzw. 230–700 GPa erreichen.

3. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern nimmt mit steigender Temperatur ab, wodurch sie beständig gegen schnelles Abkühlen und Erhitzen sind. Sie reißen selbst nach dem Abkühlen von mehreren tausend Grad Celsius auf Raumtemperatur nicht und schmelzen oder erweichen in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei 3000 °C nicht; auch bei Flüssigkeitstemperaturen werden sie nicht spröde.

4. Gute Korrosionsbeständigkeit: Kohlenstofffasern sind gegenüber Säuren inert und widerstehen starken Säuren wie konzentrierter Salzsäure und Schwefelsäure. Darüber hinaus weisen Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe Eigenschaften wie Strahlungsbeständigkeit, gute chemische Stabilität, die Fähigkeit zur Absorption toxischer Gase und Neutronenmoderation auf, wodurch sie in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und vielen anderen Bereichen breite Anwendung finden.

Aramid, eine organische Faser, die aus aromatischen Polyphthalamiden synthetisiert wird, entstand Ende der 1960er Jahre. Ihre Dichte ist geringer als die von Kohlenstofffasern. Sie zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Streckgrenze, gute Schlagfestigkeit, gute chemische Stabilität und Hitzebeständigkeit aus und kostet nur die Hälfte von Kohlenstofffasern.AramidfasernSie weisen hauptsächlich folgende Merkmale auf:

1. Gute mechanische Eigenschaften. Aramidfasern sind ein flexibles Polymer mit höherer Zugfestigkeit als herkömmliche Polyester, Baumwolle und Nylon. Sie weisen eine höhere Dehnbarkeit, einen weichen Griff und gute Spinnbarkeit auf, wodurch sie zu Fasern unterschiedlicher Feinheit und Länge verarbeitet werden können.

2. Hervorragende Flammwidrigkeit und Hitzebeständigkeit. Aramid besitzt einen Sauerstoffindex von über 28 und brennt daher nach dem Entfernen aus der Flamme nicht weiter. Es weist eine gute thermische Stabilität auf, kann dauerhaft bei 205 °C eingesetzt werden und behält seine hohe Festigkeit auch bei Temperaturen über 205 °C. Gleichzeitig besitzen Aramidfasern eine hohe Zersetzungstemperatur, behalten ihre hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und beginnen erst bei Temperaturen über 370 °C zu verkohlen.

3. Stabile chemische Eigenschaften. Aramidfasern weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber den meisten Chemikalien auf, widerstehen den meisten hohen Konzentrationen anorganischer Säuren und besitzen eine gute Alkalibeständigkeit bei Raumtemperatur.

4. Hervorragende mechanische Eigenschaften. Es besitzt herausragende mechanische Eigenschaften wie extrem hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und geringes Gewicht. Seine Festigkeit ist 5- bis 6-mal so hoch wie die von Stahldraht, sein Elastizitätsmodul 2- bis 3-mal so hoch wie der von Stahldraht oder Glasfaser, seine Zähigkeit doppelt so hoch wie die von Stahldraht und sein Gewicht beträgt nur 1/5 des Gewichts von Stahldraht. Aromatische Polyamidfasern sind seit Langem weit verbreitete Hochleistungsfaserwerkstoffe und eignen sich vor allem für Druckbehälter in der Luft- und Raumfahrt, die strengen Anforderungen an Qualität und Form unterliegen.

PBO-Fasern wurden in den 1980er-Jahren in den USA als Verstärkungsmaterial für Verbundwerkstoffe der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt. Sie zählen zu den vielversprechendsten Polyamiden mit heterozyklischen aromatischen Verbindungen und gelten als die Superfaser des 21. Jahrhunderts. PBO-Fasern zeichnen sich durch hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften aus; ihre Festigkeit, ihr Elastizitätsmodul und ihre Hitzebeständigkeit gehören zu den besten aller Fasern. Darüber hinaus sind PBO-Fasern sehr schlagfest, abriebfest und formstabil. Dank ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität eignen sie sich ideal als Textilmaterial. Zu den Haupteigenschaften von PBO-Fasern gehören:

1. Hervorragende mechanische Eigenschaften. Hochwertige PBO-Faserprodukte weisen eine Festigkeit von 5,8 GPa und einen Elastizitätsmodul von 180 GPa auf, die höchsten Werte aller existierenden Chemiefasern.

2. Hervorragende thermische Stabilität. Es hält Temperaturen bis zu 600 °C stand und weist einen Grenztemperaturindex von 68 auf. Es brennt nicht und schrumpft nicht in Flammen, und seine Hitzebeständigkeit und Flammschutzwirkung sind höher als die jeder anderen organischen Faser.

Als Hochleistungsfaser des 21. Jahrhunderts zeichnet sich PBO durch herausragende physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften aus. Ihre Festigkeit und ihr Elastizitätsmodul sind doppelt so hoch wie die von Aramidfasern, und sie besitzt die Hitzebeständigkeit und Flammschutzwirkung von Meta-Aramid-Polyamid. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften übertreffen die von Aramidfasern deutlich. Eine PBO-Faser mit 1 mm Durchmesser kann ein Objekt mit einem Gewicht von bis zu 450 kg heben, und ihre Festigkeit ist mehr als zehnmal so hoch wie die von Stahlfasern.

Polyethylenfaser mit ultrahohem MolekulargewichtUltrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), auch bekannt als hochfeste Polyethylenfaser mit hohem Modul, ist die Faser mit der weltweit höchsten spezifischen Festigkeit und dem höchsten spezifischen Modul. Es handelt sich um eine aus Polyethylen mit einem Molekulargewicht von 1 bis 5 Millionen g/mol gesponnene Faser. UHMWPE weist im Wesentlichen folgende Eigenschaften auf:

1. Hohe spezifische Festigkeit und hoher spezifischer Elastizitätsmodul. Seine spezifische Festigkeit ist mehr als zehnmal so hoch wie die von Stahldraht mit gleichem Querschnitt, und sein spezifischer Elastizitätsmodul wird nur von speziellen Kohlenstofffasern übertroffen. Typischerweise liegt sein Molekulargewicht über 10, mit einer Zugfestigkeit von 3,5 GPa, einem Elastizitätsmodul von 116 GPa und einer Bruchdehnung von 3,4 %.

2. Niedrige Dichte. Seine Dichte beträgt im Allgemeinen 0,97–0,98 g/cm³, wodurch es auf Wasser schwimmt.

3. Geringe Bruchdehnung. Es besitzt ein hohes Energieabsorptionsvermögen, ausgezeichnete Schlag- und Schnittfestigkeit, hervorragende Witterungsbeständigkeit und ist beständig gegen UV-Strahlung, Neutronen und Gammastrahlung. Darüber hinaus weist es eine hohe spezifische Energieabsorption, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine hohe elektromagnetische Transmission und Beständigkeit gegen chemische Korrosion sowie eine gute Verschleißfestigkeit und eine lange Biegelebensdauer auf.

Polyethylenfasern weisen viele überlegene Eigenschaften auf und bieten dadurch einen bedeutenden Vorteil in derHochleistungsfaserMarkt. Von Verankerungsleinen in Offshore-Ölfeldern bis hin zu hochleistungsfähigen, leichten Verbundwerkstoffen weist es enorme Vorteile in der modernen Kriegsführung sowie in der Luft- und Raumfahrt und der Schifffahrt auf und spielt eine entscheidende Rolle bei Verteidigungsausrüstung und anderen Bereichen.