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탄소 섬유권선 복합재 압력 용기는 밀폐된 내피와 고강도 섬유 권선층으로 구성된 얇은 벽의 용기로, 주로 섬유 권선 및 직조 공정을 통해 형성됩니다. 기존 금속 압력 용기와 비교하여, 복합재 압력 용기의 내피는 저장, 밀봉 및 화학적 부식 방지 기능을 제공하며, 복합재층은 주로 내부 압력 하중을 지지하는 데 사용됩니다. 복합재의 높은 비강도와 우수한 설계 가능성 덕분에, 복합재 압력 용기는 하중 지지 능력을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 기존 금속 압력 용기에 비해 용기 질량을 현저히 감소시켰습니다.
섬유강화 압력용기의 내층은 주로 라이너 구조로 이루어져 있으며, 주요 기능은 내부에 저장된 고압 가스 또는 액체의 누출을 방지하는 밀봉 장벽 역할을 하는 동시에 외부 섬유강화층을 보호하는 것입니다. 이 층은 내부에 저장된 물질에 의해 부식되지 않으며, 외부 층은 수지 매트릭스로 강화된 섬유강화층으로 구성되어 압력용기 내부의 대부분의 압력 하중을 견디는 역할을 합니다.
1. 섬유강화압력용기의 구조
복합재 압력 용기는 크게 원통형, 구형, 환형, 직사각형의 네 가지 구조 형태로 나뉩니다. 원통형 용기는 원통형 단면과 두 개의 상단부로 구성됩니다. 금속 압력 용기는 축 방향으로 충분한 강도 여유를 두고 단순한 형태로 제작됩니다. 구형 용기는 내부 압력 하에서 날실 방향과 씨실 방향의 응력이 동일하며, 원통형 용기의 원주 방향 응력의 절반에 해당합니다. 금속 재료는 모든 방향에서 강도가 동일하므로 금속으로 제작된 구형 용기는 균일한 강도를 갖도록 설계되며, 부피와 압력이 일정할 때 질량이 최소화됩니다. 구형 용기는 가장 이상적인 하중 상태를 제공하며, 용기 벽 두께 또한 가장 얇게 제작할 수 있습니다. 그러나 구형 용기는 제조 난이도가 높아 일반적으로 우주선이나 기타 특수한 경우에만 사용됩니다. 환형 용기는 산업 생산에서는 매우 드물지만, 우주선처럼 제한된 공간을 최대한 활용해야 하는 경우와 같이 특정 상황에서는 이러한 구조가 필요할 수 있습니다. 직사각형 컨테이너는 주로 공간이 제한적일 때 공간 활용과 구조적 효율성을 극대화하기 위해 사용되며, 자동차용 직사각형 탱크 차량, 철도용 탱크 차량 등이 그 예입니다. 이러한 컨테이너는 일반적으로 저압 컨테이너 또는 대기압 컨테이너이며, 무게가 가벼울수록 품질 요구 사항이 높아집니다.
구조의 복잡성합성물압력용기 자체의 특성, 헤드 및 헤드 부분의 두께의 급격한 변화, 헤드 부분의 두께와 각도의 가변성 등은 설계, 분석, 계산 및 성형에 많은 어려움을 초래합니다. 때로는 복합재 압력용기의 헤드 부분에서 다양한 각도와 가변 속도비로 권선해야 할 뿐만 아니라, 구조에 따라 각기 다른 권선 방식을 적용해야 합니다. 동시에 마찰 계수와 같은 실제적인 요인들의 영향도 고려해야 합니다. 따라서 정확하고 합리적인 구조 설계만이 복합재 압력용기의 권선 생산 공정을 올바르게 안내하여 설계 요구사항을 충족하는 경량 복합재 압력용기 제품을 생산할 수 있습니다.
2. 섬유강화압력용기의 재질
주요 하중 지지부인 섬유 권선층은 높은 강도, 높은 탄성률, 낮은 밀도, 열 안정성, 우수한 수지 습윤성뿐만 아니라 우수한 권선 가공성과 균일한 섬유 다발 밀착성을 가져야 합니다. 경량 복합 압력 용기에 일반적으로 사용되는 보강 섬유에는 다음과 같은 것들이 있습니다.탄소 섬유PBO 섬유,방향족 폴리아민 섬유그리고 UHMWPE 섬유.