繊維巻き圧力容器の内層は主にライニング構造であり、その主な機能は、内部に貯蔵された高圧ガスまたは液体の漏洩を防ぐシールバリアとして機能するとともに、外側の繊維巻き層を保護することです。この層は内部貯蔵物質によって腐食されません。外側の層は樹脂強化繊維巻き層であり、主に圧力容器内の圧力負荷の大部分を支えるために使用されます。
ファイバー巻き圧力容器の構造：複合材料圧力容器は、主に円筒形、球形、環状、長方形の4つの構造形式があります。円筒形容器は、円筒形断面と2つのヘッドで構成されています。金属製圧力容器は、軸方向に余剰強度を持つようにシンプルな形状で製造されています。内圧下では、球形容器の縦方向と横方向の応力は等しく、円筒形容器の周方向応力の半分になります。金属材料はあらゆる方向で強度が等しいため、球形金属容器は、与えられた容積と圧力に対して、強度が等しく、質量が最小になるように設計されます。球形容器の応力状態は理想的であり、容器壁を最も薄くすることができます。しかし、球形容器は製造が困難であるため、通常は宇宙船などの特殊な用途にのみ使用されます。リング状の容器は工業生産ではまれですが、特定の状況ではその構造が依然として必要です。例えば、宇宙船は限られたスペースを最大限に活用するために、この特殊な構造を採用しています。長方形のコンテナは、主に自動車用の長方形タンク車や鉄道のタンク車など、限られたスペースを最大限に活用するために使用されます。これらのコンテナは一般的に低圧または大気圧容器であり、軽量であることが求められます。
複合材料圧力容器の構造は複雑で、エンドキャップとその厚さは急激に変化し、エンドキャップの厚さと角度も可変であるため、設計、解析、計算、成形には多くの困難が伴います。複合材料圧力容器では、エンドキャップの巻き角度や速度比を変える必要があるだけでなく、構造に応じて巻き方を変える必要がある場合もあります。同時に、摩擦係数などの実用的な要因の影響も考慮する必要があります。したがって、正しく合理的な構造設計のみが、巻き取り製造プロセスを適切に導くことができます。複合材料圧力容器を製造し、設計要件を満たす軽量複合材料圧力容器製品を製造します。
ファイバー巻き圧力容器の材料
主要な荷重支持部材である繊維巻き層は、高強度、高弾性率、低密度、熱安定性、良好な樹脂濡れ性、良好な巻き取り加工性、そして均一な繊維束の密着性を備えていなければなりません。軽量複合圧力容器に一般的に使用される強化繊維材料には、炭素繊維、PBO繊維、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などがあります。
炭素繊維炭素を主成分とする繊維状炭素材料です。有機繊維前駆体を高温で炭化させることで形成され、炭素含有量が95%を超える高性能繊維材料です。炭素繊維は優れた特性を有し、100年以上前から研究が進められてきました。高強度、高弾性率、低密度の高性能な巻回繊維材料であり、主に以下の特徴を有します。
1. 低密度で軽量。炭素繊維の密度は1.7～2g/cm³で、鋼鉄の1/4、アルミニウム合金の1/2に相当します。
2. 高強度・高弾性率：強度は鋼鉄の4～5倍、弾性率はアルミニウム合金の5～6倍高く、絶対弾性回復力を有する（張二龍、孫燕、2020）。炭素繊維の引張強度と弾性率は、それぞれ3500～6300MPa、230～700GPaに達する。
3. 低熱膨張係数：炭素繊維の熱伝導率は温度上昇とともに低下するため、急冷・急加熱にも耐性があります。数千℃から室温まで冷却しても割れることはなく、非酸化性雰囲気下でも3000℃で溶融・軟化せず、液体温度でも脆くなりません。
4. 優れた耐腐食性：炭素繊維は酸に対して不活性であり、濃塩酸や濃硫酸などの強酸にも耐えることができます。さらに、炭素繊維複合材料は耐放射線性、優れた化学的安定性、有毒ガス吸収能力、中性子減速などの特性も備えており、航空宇宙、軍事など、幅広い分野で応用されています。
アラミドは、芳香族ポリフタルアミドから合成される有機繊維で、1960年代後半に登場しました。密度は炭素繊維よりも低く、高強度、高降伏性、優れた耐衝撃性、優れた化学的安定性、耐熱性を備え、価格は炭素繊維の半分です。アラミド繊維主に以下の特徴があります。
1. 優れた機械的特性。アラミド繊維は、一般的なポリエステル、綿、ナイロンよりも高い引張強度を持つ柔軟なポリマーです。伸度が高く、柔らかな手触りで、紡糸性に優れているため、様々な太さや長さの繊維に加工できます。
2. 優れた難燃性と耐熱性。アラミド繊維は限界酸素指数が28以上であるため、炎から離しても燃え続けることはありません。優れた熱安定性を有し、205℃でも連続使用が可能で、205℃を超える温度でも高い強度を維持します。同時に、アラミド繊維は分解温度が高く、高温でも高い強度を維持し、370℃を超える温度で初めて炭化が始まります。
3. 安定した化学的性質。アラミド繊維は、ほとんどの化学物質に対して優れた耐性を示し、ほとんどの高濃度の無機酸にも耐えることができ、室温でも優れた耐アルカリ性を備えています。
4. 優れた機械的特性。超高強度、高弾性率、軽量といった優れた機械的特性を有します。強度は鋼線の5～6倍、弾性率は鋼線やガラス繊維の2～3倍、靭性は鋼線の2倍、重量は鋼線のわずか1/5です。芳香族ポリアミド繊維は、長年にわたり広く使用されている高性能繊維材料であり、主に品質と形状に対する厳しい要求が求められる航空宇宙および航空圧力容器に適しています。
PBO繊維は、1980年代に米国で航空宇宙産業向け複合材料の強化材として開発されました。複素環芳香族化合物を含むポリアミド系の中でも最も有望な繊維の一つであり、21世紀のスーパー繊維として知られています。PBO繊維は優れた物理的・化学的特性を有し、強度、弾性率、耐熱性はあらゆる繊維の中でも最高レベルです。さらに、耐衝撃性、耐摩耗性、寸法安定性にも優れ、軽量で柔軟性に富むことから、理想的な繊維素材となっています。PBO繊維の主な特性は以下のとおりです。
1. 優れた機械的特性。高級PBO繊維製品は、強度5.8GPa、弾性率180GPaを有し、既存の化学繊維の中で最高水準です。
2. 優れた熱安定性。限界熱指数は68で、600℃までの温度に耐えることができます。炎の中でも燃えたり縮んだりせず、他の有機繊維よりも耐熱性と難燃性が高くなっています。
21世紀の超高性能繊維であるPBO繊維は、優れた物理的、機械的、化学的特性を有しています。強度と弾性率はアラミド繊維の2倍、メタアラミドポリアミドの耐熱性と難燃性を有し、その物理的・化学的特性はアラミド繊維を完全に凌駕しています。直径1mmのPBO繊維は最大450kgの物体を持ち上げることができ、その強度は鋼繊維の10倍以上です。
超高分子量ポリエチレン繊維高強度・高弾性率ポリエチレン繊維は、世界最高の比強度と比弾性率を有する繊維です。分子量100万～500万のポリエチレンから紡糸された繊維です。超高分子量ポリエチレン繊維は主に以下の特性を有します。
1. 高い比強度と高い比弾性率。比強度は同一断面積の鋼線の10倍以上、比弾性率は特殊炭素繊維に次ぐ高強度です。典型的には、分子量は10以上、引張強度は3.5GPa、弾性率は116GPa、伸び率は3.4%です。
2. 低密度。密度は一般的に0.97～0.98g/cm³で、水に浮きます。
3. 破断伸びが低い。エネルギー吸収能力が高く、耐衝撃性、耐切断性に優れ、耐候性に優れ、紫外線、中性子、ガンマ線にも耐性があります。また、比エネルギー吸収率が高く、誘電率が低く、電磁波透過率が高く、耐化学腐食性に優れ、耐摩耗性と屈曲寿命が長いという特徴もあります。
ポリエチレン繊維は多くの優れた特性を有しており、高性能繊維市場。海洋油田の係留索から高性能軽量複合材料まで、現代の戦争、航空、宇宙、海洋分野において多大な優位性を発揮し、防衛装備などの分野で重要な役割を果たしています。
投稿日時: 2025年12月22日
