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섬유강화 압력용기의 내층은 주로 라이닝 구조로 이루어져 있으며, 그 주된 기능은 내부에 저장된 고압 가스 또는 액체의 누출을 방지하는 밀봉 장벽 역할을 하는 동시에 외부 섬유강화층을 보호하는 것입니다. 이 내층은 내부에 저장된 물질에 의해 부식되지 않으며, 외부층은 수지 강화 섬유강화층으로 구성되어 압력용기 내부의 대부분의 압력 하중을 지탱하는 역할을 합니다.

섬유 강화 압력 용기의 구조: 복합 재료 압력 용기는 주로 원통형, 구형, 환형, 직사각형의 네 가지 구조 형태로 제작됩니다. 원형 용기는 원통형 부분과 두 개의 상단부로 구성됩니다. 금속 압력 용기는 축 방향으로 충분한 강도 여유를 두고 단순한 형태로 제작됩니다. 내부 압력 하에서 구형 용기의 종방향 및 횡방향 응력은 동일하며, 원통형 용기의 원주 방향 응력의 절반입니다. 금속 재료는 모든 방향으로 동일한 강도를 가지므로, 구형 금속 용기는 동일한 강도를 갖도록 설계되며 주어진 부피와 압력에서 최소 질량을 갖습니다. 구형 용기의 응력 상태는 이상적이며 용기 벽을 가장 얇게 만들 수 있습니다. 그러나 구형 용기는 제조 난이도가 높기 때문에 일반적으로 우주선과 같은 특수 용도에만 사용됩니다. 링 모양의 용기는 산업 생산에서는 드물지만 특정 상황에서는 여전히 필요합니다. 예를 들어, 우주선은 제한된 공간을 최대한 활용하기 위해 이러한 특수 구조를 사용합니다. 직사각형 용기는 공간이 제한적일 때 공간 활용도를 극대화하기 위해 주로 사용되며, 자동차용 직사각형 탱크 차량이나 철도 탱크 차량 등이 그 예입니다. 이러한 용기는 일반적으로 저압 또는 대기압 용기이며, 무게가 가벼울수록 좋습니다.

복합재료 압력용기의 복잡한 구조, 엔드캡의 급격한 변화와 두께, 그리고 엔드캡의 다양한 두께와 각도는 설계, 분석, 계산 및 성형에 많은 어려움을 야기합니다. 때로는 복합재료 압력용기의 엔드캡에서 다양한 각도와 속도비로 권선을 감아야 할 뿐만 아니라, 구조에 따라 권선 방식도 달라야 합니다. 동시에 마찰 계수와 같은 실제적인 요인들의 영향도 고려해야 합니다. 따라서 정확하고 합리적인 구조 설계만이 권선 생산 공정을 제대로 이끌어갈 수 있습니다.복합재료압력 용기를 생산함으로써 설계 요구 사항을 충족하는 경량 복합 재료 압력 용기 제품을 생산합니다.

섬유강화 압력용기용 재료

주요 하중 지지 구성 요소인 섬유 권선층은 높은 강도, 높은 탄성률, 낮은 밀도, 열 안정성, 우수한 수지 습윤성, 우수한 권선 가공성 및 균일한 섬유 다발 밀착성을 가져야 합니다. 경량 복합 압력 용기에 일반적으로 사용되는 보강 섬유 재료로는 탄소 섬유, PBO 섬유, 아라미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌 섬유가 있습니다.

탄소 섬유탄소 섬유는 주성분이 탄소인 섬유질 소재입니다. 고온에서 유기 섬유 전구체를 탄화시켜 만들어지며, 탄소 함량이 95%를 넘는 고성능 섬유 소재입니다. 탄소 섬유는 탁월한 특성을 지니고 있으며, 100년 이상 전부터 연구가 진행되어 왔습니다. 고강도, 고탄성률, 저밀도의 고성능 권취 섬유 소재로서, 주요 특징은 다음과 같습니다.

1. 낮은 밀도와 가벼운 무게. 탄소 섬유의 밀도는 1.7~2g/cm³로, 강철 밀도의 1/4, 알루미늄 합금 밀도의 1/2에 해당합니다.

2. 높은 강도와 ​​탄성률: 탄소섬유는 강도가 강철보다 4~5배 높고, 탄성률은 알루미늄 합금보다 5~6배 높아 절대적인 탄성 회복력을 보인다(Zhang Eryong, Sun Yan, 2020). 탄소섬유의 인장 강도와 탄성률은 각각 3500~6300 MPa와 230~700 GPa에 달할 수 있다.

3. 낮은 열팽창 계수: 탄소 섬유의 열전도율은 온도가 상승함에 따라 감소하므로 급격한 냉각 및 가열에 강합니다. 수천 도에서 실온까지 냉각되어도 균열이 발생하지 않으며, 비산화 분위기에서 3000℃까지 가열해도 녹거나 연화되지 않고, 액체 온도에서도 취성이 생기지 않습니다.

4. 우수한 내식성: 탄소 섬유는 산에 대해 불활성이며 농축 염산 및 황산과 같은 강산에도 견딜 수 있습니다. 또한, 탄소 섬유 복합재는 방사선 저항성, 우수한 화학적 안정성, 유독 가스 흡수 능력 및 중성자 감속 능력과 같은 특성을 지니고 있어 항공우주, 군사 및 기타 여러 분야에 널리 적용됩니다.

방향족 폴리프탈아미드로부터 합성된 유기 섬유인 아라미드는 1960년대 후반에 등장했습니다. 아라미드는 탄소 섬유보다 밀도가 낮지만, 높은 강도, 높은 항복 강도, 우수한 충격 저항성, 화학적 안정성 및 내열성을 지니고 있으며, 가격은 탄소 섬유의 절반 수준입니다.아라미드 섬유주로 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다:

1. 우수한 기계적 특성. 아라미드 섬유는 일반 폴리에스터, 면, 나일론보다 인장 강도가 높은 유연한 고분자입니다. 또한 신축성이 뛰어나고 촉감이 부드러우며 방사성이 좋아 다양한 굵기와 길이의 섬유로 만들 수 있습니다.

2. 뛰어난 난연성 및 내열성. 아라미드는 한계산소지수(LOI)가 28 이상이므로 화염에서 제거된 후에도 계속 타지 않습니다. 열 안정성이 우수하여 205℃에서 연속 사용이 가능하며, 205℃ 이상의 온도에서도 높은 강도를 유지합니다. 또한, 아라미드 섬유는 분해 온도가 높아 고온에서도 높은 강도를 유지하며, 370℃ 이상에서만 탄화가 시작됩니다.

3. 안정적인 화학적 특성. 아라미드 섬유는 대부분의 화학 물질에 대한 내성이 뛰어나고, 고농도의 무기산에도 견딜 수 있으며, 상온에서 알칼리 저항성도 우수합니다.

4. 탁월한 기계적 특성. 초고강도, 고탄성률, 경량성 등 뛰어난 기계적 특성을 지니고 있습니다. 강도는 강선의 5~6배, 탄성률은 강선이나 유리섬유의 2~3배, 인성은 강선의 2배에 달하며, 무게는 강선의 1/5에 불과합니다. 방향족 폴리아미드 섬유는 오랫동안 고성능 섬유 소재로 널리 사용되어 왔으며, 특히 품질과 형상에 대한 요구 사항이 엄격한 항공우주 및 항공기용 압력 용기에 적합합니다.

PBO 섬유는 1980년대 미국에서 항공우주 산업용 복합재료의 보강재로 개발되었습니다. 이 섬유는 헤테로고리 방향족 화합물을 함유하는 폴리아미드 계열 중 가장 유망한 소재 중 하나이며, 21세기의 슈퍼 섬유로 알려져 있습니다. PBO 섬유는 우수한 물리적, 화학적 특성을 지니고 있으며, 강도, 탄성률, 내열성은 모든 섬유 중에서 최고 수준입니다. 또한, PBO 섬유는 내충격성, 내마모성, 치수 안정성이 뛰어나고 가볍고 유연하여 이상적인 섬유 소재입니다. PBO 섬유의 주요 특징은 다음과 같습니다.

1. 탁월한 기계적 특성. 고급 PBO 섬유 제품은 5.8 GPa의 강도와 180 GPa의 탄성 계수를 가지며, 이는 현존하는 화학 섬유 중 최고 수준입니다.

2. 탁월한 열 안정성. 최대 600℃의 온도까지 견딜 수 있으며, 한계 지수는 68입니다. 화염에 타거나 수축하지 않으며, 내열성 및 난연성이 다른 어떤 유기 섬유보다 뛰어납니다.

21세기형 초고성능 섬유인 PBO 섬유는 탁월한 물리적, 기계적, 화학적 특성을 지니고 있습니다. 강도와 탄성률은 아라미드 섬유의 두 배에 달하며, 메타아라미드 폴리아미드와 같은 내열성 및 난연성을 갖추고 있습니다. 그 물리적, 화학적 특성은 아라미드 섬유를 완전히 능가합니다. 직경 1mm의 PBO 섬유는 최대 450kg의 물체를 들어 올릴 수 있으며, 강도는 강철 섬유의 10배 이상입니다.

초고분자량 폴리에틸렌 섬유고강도, 고탄성률 폴리에틸렌 섬유라고도 불리는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 세계에서 가장 높은 비강도와 비탄성률을 가진 섬유입니다. 분자량이 100만에서 500만 사이인 폴리에틸렌으로 방사한 섬유입니다. 초고분자량 폴리에틸렌 섬유는 주로 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

1. 높은 비강도와 높은 비탄성률. 동일 단면적의 강선보다 비강도가 10배 이상 높으며, 비탄성률은 특수 탄소섬유 다음으로 높습니다. 일반적으로 분자량은 10 이상이며, 인장강도는 3.5GPa, 탄성계수는 116GPa, 연신율은 3.4%입니다.

2. 낮은 밀도. 일반적으로 밀도가 0.97~0.98 g/cm³이므로 물에 뜰 수 있습니다.

3. 파단 신율이 낮습니다. 강력한 에너지 흡수 능력, 우수한 충격 및 절단 저항성, 뛰어난 내후성을 갖추고 있으며 자외선, 중성자 및 감마선에 대한 저항성도 우수합니다. 또한 높은 비에너지 흡수율, 낮은 유전 상수, 높은 전자기파 투과율, 내화학 부식성, 우수한 내마모성 및 긴 굽힘 수명을 자랑합니다.

폴리에틸렌 섬유는 여러 가지 우수한 특성을 지니고 있어 상당한 이점을 제공합니다.고성능 광섬유시장에서 그 활용도가 높습니다. 해상 유전의 계류선부터 고성능 경량 복합 소재에 이르기까지, 현대 전쟁은 물론 항공, 우주, 해양 분야에서도 엄청난 이점을 보여주며 방어 장비 및 기타 분야에서 중요한 역할을 합니다.