Композиційний балон тиску

Реферат: Композиційний балон тиску містить внутрішній герметизуючий алюмінієвий лейнер і зовнішню силову композиційну оболонку, яка виконана на основі армованого волокнами полімерного сполучного, з товщиною, що функціонально залежить від параметрів силової оболонки і лейнера. Зовнішня поверхня цільного алюмінієвого лейнера нікельована, а силова композиційна оболонка виконана на основі наномодифікованого сполучного, який містить вуглецевий фулероїдний наномодифікатор, 0,005-0,015 мас. %. UA 84039 U (54) КОМПОЗИЦІЙНИЙ БАЛОН ТИСКУ UA 84039 U UA 84039 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області газової апаратури, зокрема до балонів високого тиску, і може бути використана на автотранспорті, літальних апаратах, у побутовому газопостачанні. Відомий балон високого тиску, що включає внутрішній герметизуючий металевий лейнер і силову оболонку підвищеної міцності, отриману за рахунок удосконалення намотування шарів просоченого сполучною армуючого наповнювача за патентами РФ № 2426024, № 2393375 та ін. Однак, без урахування механічної сумісності композиту силової оболонки і матеріалу лейнера, забезпечити високі показники міцності балона і високий ресурс вдається не на всьому інтервалі внутрішнього тиску газу. Відомий композиційний балон високого тиску з алюмінієвим лейнером, виконаним цільним з алюмінієвого сплаву без зварних з'єднань з утворенням товстостінних горловин в області полюсних отворів, і зовнішньої силової оболонки з композиту на основі армованого волокнами епоксидного сполучного за патентами РФ № 2175088 від 20.10.2001 року та № 2382919 від 27.02.2010 року. Високі міцнісні показники алюмінієвого сплаву АМг6 і технологічні прийоми способу виготовлення відомого композиційного балона тиску дозволяють забезпечити високу міцність, що відповідає рівню робочих циклічних навантажень, а також знизити питому матеріалоємність. Однак, створення герметизуючого цільного алюмінієвого лейнера високої міцності - умова необхідна, але недостатня для отримання балона тиску з високим ресурсом за кількістю циклів навантаження, а також надійного в експлуатації. При циклічних навантаженнях визначальне значення мають міцнісні властивості силової композиційної оболонки балона і рівень адгезійного зв'язку з поверхнею лейнера. При низькому рівні цього зв'язку ефективної передачі напруги від тиску газу в лейнері до силової оболонки не відбудеться - матеріал лейнера сприймає критичні пластичні деформації, що значно знизить ресурс працездатності балона тиску. Найбільш близьким за сукупністю суттєвих ознак до заявленого композиційного балона тиску є композиційний балон високого тиску, що містить внутрішній герметизуючий алюмінієвий лейнер і зовнішню силову композиційну оболонку, яка виконана на основі армованого міцними волокнами полімерного сполучного, з товщиною, що функціонально залежить від параметрів зовнішнього силової оболонки і лейнера за патентом РФ № 2358187, F 17 С 1/16 від 10.06.2009 року. Відомий винахід вирішує задачу створення балонів високого тиску шляхом оптимізації розмірних параметрів, зокрема, оптимального співвідношення товщини лейнера і композиту силового шару з параметрами композиту і лейнера. У відомому винаході обумовлено прийнята рівнонапруженість металевого лейнера і композиційного шару в силу дії тільки внутрішнього тиску. Правомочна при цьому пропорційність моментних зусиль у напівсферичному днищі і в циліндрі. В граничному випадку рівності моментів зусиль в осьовому напрямках радіус днища лейнера буде рівним подвоєному радіусу циліндричної частини, що відповідає оптимальній несучій здатності балона тиску. Виконання силової оболонки двошаровою з змінним кутом безперервного намотування дозволяє регулювати кут намотування від величини полюсних отворів, де кожен шар складається з двох складань, підвищуючи міцність силової оболонки в області полюсних отворів, що збільшує несучу здатність балона. Основний недолік відомого композиційного балона тиску полягає в наступному. Використання зварного металевого лейнера не відповідає високому ресурсу роботи і забезпечення "необмеженої" кількості циклів навантаження. Світова практика експлуатації композиційних балонів тиску показує - балони тиску з цільним металевим лейнером перевершують балони із зварним і штамповано-зварним лейнером по міцності і ресурсу за кількістю циклів навантаження. Крім того, в процесі полімеризації і охолодження в композиційній оболонці виникають термічні напруги через усадку полімеру,які створюють зусилля зсуву на межі композит - лейнер, викликаючи пластичні деформації. Пластичні деформації будуть збільшуватись із збільшенням різниці значень коефіцієнтів термічного розширення композиту і матеріалу лейнера аж до руйнування адгезійного зв'язку. У цьому випадку передача напруги від внутрішнього тиску газу до силової оболонки складна, що знижує надійність роботи балона тиску. Технічна задача, на вирішення якої направлена корисна, модель полягає в підвищенні ресурсу працездатності та безпеки експлуатації композиційного балона тиску шляхом створення механічної і функціонально-молекулярної сумісності матеріалів лейнера і композиту силового шару, армуючого матеріалу і наномодифікованого епоксидного сполучного, що забезпечують міцний адгезійний зв'язок на межі розділення фаз. Поставлена задача вирішується тим, що композиційний балон тиску містить внутрішній герметизуючий алюмінієвий лейнер і зовнішню композитну оболонку, виконану на основі армованого міцними волокнами полімерного сполучного, з товщиною, що функціонально залежить від параметрів силової композиційної оболонки і лейнера. Зовнішня поверхня цільного алюмінієвого лейнера нікельована, наномодифіковане епоксидне сполучне містить вуглецевий 1 UA 84039 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фулероїдний наномодифікатор, 0,005…0,015 мас. %. Функціональний зв'язок оптимального значення коефіцієнта наповнення армуючими волокнами сполучного з коефіцієнтами термічного розширення матеріалів армуючих волокон, отвердженого ненаповненого полімеру, матеріалу лейнера виражена інтервалом значень: 0,6  [φВ (аВ –аП)/аЛ + аП/аЛ]  0,9, де φВ, аВ, аП, аЛ оптимальний коефіцієнт наповнення армуючими волокнами сполучного, коефіцієнти термічного розширення матеріалів армуючих волокон, отвердженого ненаповненого полімеру та матеріалу лейнера відповідно. (Оптимальне значення коефіцієнта відповідає максимальній міцності композиційного матеріалу). Наведений інтервал значень функціонального зв'язку оптимального коефіцієнта наповнення армуючими волокнами наномодифікованого сполучного, яке містить вуглецевий фулероїдний наномодифікатор, 0,005-0,015 мас. %, у взаємозв'язку з іншими елементами невідомо і в заявленому композиційному балоні тиску виявляють нові властивості, що дозволяють максимально використовувати міцнісні механічні параметри складових компонентів балонів, тим самим підвищити ресурс працездатності та безпеки експлуатації композиційного балона тиску. У заявленому композиційному балоні тиску силова композиційна оболонка містить армуючі вуглецеві волокна (наприклад, марки Урал - 24, Кулон), як сполучне - наномодифіковану епоксидну смолу ЕД - 20 (ГОСТ 10587-84), що містить вуглецевий фулероїдний наномодифікатор (фулерен) в кількості 0,005-0,015 мас. %. Вуглецевий фулероїдний наномодифікатор має надлишкову поверхневу енергію з високим вмістом поверхневих функціональних груп, які в контакті з різними матеріалами утворюють міжмолекулярні зв'язки, особливо з полімерами [Вплив вуглецевих наночастинок та їх функціональних похідних на структурування полярних частинок KM.-36. "Авіаційні матеріали і технології". Вип. "Полімери композиційних матеріалів". - М., 2004. - с. 19-24]. Стійкі функціонально-молекулярні зв'язки вуглецевих наномодифікаторів в епоксидному сполучному змінюють структуру останнього: вуглецева наночастинка проникає в довгі молекули полімеру, ослабляючи їх внутрішню енергію зв'язку (ефект інтерколяції), збільшує кількість реакційних функціональних груп. Модифіковане епоксидне сполучне набуває нової властивості - молекулярно-функціональну сумісність до армуючих вуглецевих волокон: покращену змочуваність волокон з максимальним заповненням пор, підвищує поверхневу енергію вуглецевих волокон і змінює властивість фільності на протилежне (вуглецеві волокна стають гідрофільними), по нормалі до поверхні волокон формуються шари полімеру, адгезійна міцність яких перевершує когезійну міцність матриці, знижується коефіцієнт термічного розширення матриці за рахунок зниження рухливості молекул, знижується усадка і пористість композиту при затвердінні, а затвердіння відбувається по всьому об'єму полімеру. За даними наукових досліджень науково-технічного центру прикладної нанотехнології РФ міцний адгезійний зв'язок на межі наномодифіковане сполучне вуглецеве волокно надійно забезпечує передачу циклічних напружень від матриці до волокон по всьому об'єму силової оболонки, високу міцність при зсуві, виключає розшарування композиту при механічній і термічній напрузі, що підвищує ресурс працездатності балона тиску в цілому. Підготовка наномодифікованого епоксидного сполучного відбувається в наступній послідовності. Підготовка концентрату: вуглецевий фулероїдний наномодифікатор (фулерен) в кількості 0,005-0,015 мас. % диспергують в активному розчиннику - аліфатичній смолі марки ДЕГ-1, в кількості 20 мас. ч. шляхом ультразвукової дії. Перед цим невелику кількість аліфатичної смоли сполучають з вуглецевим фулероїдним наномодифікатором в керамічній або скляній посудині, механічно перемішують до пастоподібного стану і поступово вливають аліфатичну смолу, що залишилась. У посудину занурюють ультразвуковий п'єзоелектричний випромінювач, потужність випромінювання 1,0-1,5 кВт, з амплітудою 20…60 мкм і диспергують концентрат протягом 10-15 хвилин (до повної однорідності суспензії). Отриманий концентрат цівкою сполучають з епоксидною смолою ЕД-20, яка попередньо підігріта до 25-35 °C, та механічно безперервно перемішують протягом 35-45 хвилин. Як отверджувач використовують отверджувачі амінного типу, наприклад гексаметилендіамін - ГМДА, амінофенільна смола - СФ341. Отриманим сполучним просочують вуглецеве волокно для формування силової композиційної оболонки балона. Використання вуглецевого фулероїдного наномодифікатора більше 0,015 мас. % погіршує властивості реологій наномодифікованого сполучного і підвищує його вартість, менше 0,005 мас. % - знижується ефективність його використання. Нікелювання зовнішньої поверхні лейнера зміцнює адгезійний зв'язок лейнера з полімером силової оболонки за рахунок дифузійно-адсорбційній кінетичній сумісності молекул нікелю і 2 полімеру, що визначає рівень міцності при зсуві. Найбільшу міцність при зсуві 245 кг/см у контакті з полімером має нікель. На відміну від алюмінію на поверхні нікелю не утворюється оксидна плівка з низькою когезійною міцністю до температури 500 °C, тим самим зберігається 2 UA 84039 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 високий рівень міцності при зсуві, виключаючи загрозу розгерметизації в широкому інтервалі зміни температури в процесі виготовлення і експлуатації балона тиску. Механічна сумісність матеріалу лейнера і композиту силової оболонки балона тиску у корисній моделі, що заявляється, припускає відповідність (у ідеалі рівності) їх коефіцієнтів термічного розширення у взаємозв'язку з оптимальною величиною коефіцієнта армуючого наповнювача в сполучному для створення стійкості адгезійного зв'язку до дії термічної напруги і циклічних навантажень та ефективної передачі напруги від тиску газу через поверхню розділу. Як вхідні параметри проектування композиційних балонів тиску окрім пружних постійних матеріалів необхідні значення коефіцієнтів термічного розширення матеріалу лейнера, отвердженого ненаповненого полімеру аП і аВ - армуючих вуглецевих (або інших) волокон. З наведеного інтервалу значень функціонального зв'язку цих коефіцієнтів з оптимальною величиною коефіцієнта наповнення армуючими волокнами сполучного 0,6  [φВ (аВ –аП)/аЛ + аП/аЛ]  0,9, визначають значення коефіцієнта для конкретного балона тиску. Приклад. Композиційна силова оболонка балона тиску з алюмінієвим лейнером (коефіцієнт термічного розширення аЛ =23,82▪10 1/K) виконана з армованою вуглецевими волокнами -6 (коефіцієнт термічного розширення аВ = 2▪10 1/K) на основі наномодифікованого епоксидного сполучного (коефіцієнт термічного розширення отвердженого не наповненого полімеру аП = -6 50,1▪10 1/Κ). Оптимальна величина коефіцієнта φВ наповнення, згідно з наведеним функціональним зв'язком коефіцієнтів термічного розширення, прийнята з інтервалу 0,58 φВ  0,72. Цьому інтервалу значень відповідає оптимальний коефіцієнт наповнення наномодифікованого епоксидного сполучного арамідними волокнами, наприклад, марок Кевлар - 29, Кевлар - 49, Фенілом і скляними волокнами - ЛЕС-0,13-35. Спеціальні дослідження показують, структура балона тиску з цілісним нікельованим алюмінієвим лейнером і силовою композиційною оболонкою з армованого вуглецевими волокнами наномодифікованого вуглецевим фулероїдним модифікатором епоксидного сполучного дозволяє максимально використовувати міцнісні параметри складових елементів за рахунок створення механічної, функціонально-молекулярної сумісності матеріалів лейнера і композиційного силового шару, армуючих волокон і наномодифікованого сполучного, що формують міцний адгезійний зв'язок на межах розділення фаз, а також за рахунок оптимізації величини коефіцієнта наповнення сполучного армуючими волокнами, тим самим підвищити ресурс працездатності і безпеки композиційного балона тиску. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Композиційний балон тиску, що містить внутрішній герметизуючий алюмінієвий лейнер і зовнішню силову композиційну оболонку, яка виконана на основі армованого волокнами полімерного сполучного, з товщиною, що функціонально залежить від параметрів силової оболонки і лейнера, який відрізняється тим, що зовнішня поверхня цільного алюмінієвого лейнера нікельована, а силова композиційна оболонка виконана на основі наномодифікованого сполучного, який містить вуглецевий фулероїдний наномодифікатор, 0,005-0,015 мас. %. 2. Композиційний балон тиску за п. 1, який відрізняється тим, що функціональний зв'язок оптимальної величини коефіцієнта наповнення армуючими волокнами сполучного з коефіцієнтами термічного розширення матеріалів волокон, лейнера і отвердженого не наповненого наномодифікованного полімеру виражена інтервалом значень: 0,6  [φВ (аВ –аП)/аЛ + аП/аЛ]  0,9 , де φВ, аВ, аП, аЛ - коефіцієнт наповнення сполучного армуючими волокнами, коефіцієнти термічного розширення армуючих волокон, отвердженого ненаповненого полімеру та матеріалу лейнера відповідно. 50 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3