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फाइबर-वाउंड प्रेशर वेसल की भीतरी परत मुख्य रूप से एक लाइनिंग संरचना होती है, जिसका प्रमुख कार्य अंदर संग्रहित उच्च दबाव वाली गैस या तरल के रिसाव को रोकने के लिए एक सीलिंग अवरोधक के रूप में कार्य करना है, साथ ही बाहरी फाइबर-वाउंड परत की सुरक्षा करना भी है। यह परत आंतरिक संग्रहित सामग्री से संक्षारित नहीं होती है, और बाहरी परत रेजिन-प्रबलित फाइबर-वाउंड परत होती है, जिसका मुख्य कार्य प्रेशर वेसल के भीतर अधिकांश दबाव भार को वहन करना होता है।

फाइबर-वाउंड प्रेशर वेसल की संरचना: मिश्रित सामग्री से बने प्रेशर वेसल मुख्य रूप से चार संरचनात्मक रूपों में आते हैं: बेलनाकार, गोलाकार, वलयाकार और आयताकार। एक गोलाकार वेसल में एक बेलनाकार भाग और दो शीर्ष होते हैं। धातु के प्रेशर वेसल सरल आकृतियों में निर्मित होते हैं, जिनमें अक्षीय दिशा में अतिरिक्त शक्ति भंडार होता है। आंतरिक दबाव के तहत, एक गोलाकार वेसल के अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ तनाव बराबर होते हैं, और यह एक बेलनाकार वेसल के परिधीय तनाव का आधा होता है। धातु सामग्री में सभी दिशाओं में समान शक्ति होती है; इसलिए, गोलाकार धातु वेसल को समान शक्ति के लिए डिज़ाइन किया जाता है और दिए गए आयतन और दबाव के लिए न्यूनतम द्रव्यमान होता है। एक गोलाकार वेसल की तनाव स्थिति आदर्श होती है, और वेसल की दीवार को सबसे पतला बनाया जा सकता है। हालांकि, गोलाकार वेसल के निर्माण में अधिक कठिनाई के कारण, इनका उपयोग आमतौर पर केवल अंतरिक्ष यान जैसे विशेष अनुप्रयोगों में किया जाता है। रिंग के आकार के कंटेनर औद्योगिक उत्पादन में दुर्लभ हैं, लेकिन कुछ विशिष्ट स्थितियों में इनकी संरचना अभी भी आवश्यक है। उदाहरण के लिए, अंतरिक्ष यान सीमित स्थान का पूर्ण उपयोग करने के लिए इस विशेष संरचना का उपयोग करते हैं। आयताकार कंटेनर मुख्य रूप से सीमित स्थान होने पर स्थान का अधिकतम उपयोग करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, जैसे कि कारों और रेलवे के लिए आयताकार टैंकर कार। ये कंटेनर आमतौर पर कम दबाव या वायुमंडलीय दबाव वाले पात्र होते हैं, और इनका हल्का वजन बेहतर माना जाता है।

मिश्रित सामग्री से बने दबाव पात्र की संरचना की जटिलता, इसके अंतिम सिरों और मोटाई में अचानक परिवर्तन, और इनकी मोटाई और कोण में भिन्नता के कारण डिजाइन, विश्लेषण, गणना और मोल्डिंग में कई कठिनाइयाँ आती हैं। कई बार, मिश्रित सामग्री से बने दबाव पात्रों में न केवल अंतिम सिरों पर अलग-अलग कोणों और गति अनुपातों पर वाइंडिंग की आवश्यकता होती है, बल्कि संरचना के आधार पर अलग-अलग वाइंडिंग विधियों की भी आवश्यकता होती है। साथ ही, घर्षण गुणांक जैसे व्यावहारिक कारकों के प्रभाव को भी ध्यान में रखना आवश्यक है। इसलिए, केवल एक सही और तर्कसंगत संरचनात्मक डिजाइन ही वाइंडिंग उत्पादन प्रक्रिया को उचित रूप से निर्देशित कर सकता है।मिश्रित सामग्रीदबाव पात्र, जिससे हल्के मिश्रित सामग्री से बने दबाव पात्र उत्पाद तैयार होते हैं जो डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

फाइबर-वाउंड प्रेशर वेसल्स के लिए सामग्री

फाइबर-लिपटी परत, जो मुख्य भार वहन करने वाला घटक है, में उच्च शक्ति, उच्च मापांक, कम घनत्व, ऊष्मीय स्थिरता, अच्छी राल तन्यता, अच्छी वाइंडिंग प्रक्रिया क्षमता और एकसमान फाइबर बंडल जकड़न जैसे गुण होने चाहिए। हल्के कंपोजिट प्रेशर वेसल्स के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सुदृढ़ फाइबर पदार्थों में कार्बन फाइबर, पीबीओ फाइबर, एरामिड फाइबर और अति उच्च आणविक भार पॉलीइथिलीन फाइबर शामिल हैं।

कार्बन फाइबरकार्बन फाइबर एक रेशेदार कार्बन पदार्थ है जिसका मुख्य घटक कार्बन है। यह कार्बनिक फाइबर प्रीकर्सर को उच्च तापमान पर कार्बनीकरण करके बनाया जाता है और 95% से अधिक कार्बन सामग्री वाला एक उच्च-प्रदर्शन फाइबर पदार्थ है। कार्बन फाइबर में उत्कृष्ट गुण होते हैं और इस पर शोध 100 वर्ष से भी अधिक पहले शुरू हुआ था। यह उच्च शक्ति, उच्च मापांक और कम घनत्व वाला एक उच्च-प्रदर्शन वाउंड फाइबर पदार्थ है, जिसकी मुख्य विशेषताएँ निम्नलिखित हैं:

1. कम घनत्व और हल्का वजन। कार्बन फाइबर का घनत्व 1.7~2 ग्राम/सेमी³ होता है, जो स्टील के घनत्व का 1/4 और एल्यूमीनियम मिश्र धातु के घनत्व का 1/2 होता है।

2. उच्च शक्ति और उच्च मापांक: इसकी शक्ति स्टील से 4-5 गुना अधिक है, और इसका प्रत्यास्थ मापांक एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं से 5-6 गुना अधिक है, जो पूर्ण प्रत्यास्थ पुनर्प्राप्ति प्रदर्शित करता है (झांग एरयोंग और सन यान, 2020)। कार्बन फाइबर की तन्यता शक्ति और प्रत्यास्थ मापांक क्रमशः 3500-6300 एमपीए और 230-700 जीपीए तक पहुंच सकते हैं।

3. कम तापीय प्रसार गुणांक: कार्बन फाइबर की तापीय चालकता तापमान बढ़ने के साथ घटती है, जिससे यह तीव्र शीतलन और तापन के प्रति प्रतिरोधी बन जाता है। यह कई हजार डिग्री सेल्सियस से कमरे के तापमान तक ठंडा होने पर भी नहीं फटता है, और 3000 डिग्री सेल्सियस पर गैर-ऑक्सीकरण वातावरण में पिघलता या नरम नहीं होता है; यह तरल तापमान पर भंगुर नहीं होता है।

4. उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध: कार्बन फाइबर अम्लों के प्रति निष्क्रिय होता है और सांद्र हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सल्फ्यूरिक अम्ल जैसे प्रबल अम्लों का सामना कर सकता है। इसके अलावा, कार्बन फाइबर कंपोजिट में विकिरण प्रतिरोध, अच्छी रासायनिक स्थिरता, विषैली गैसों को अवशोषित करने की क्षमता और न्यूट्रॉन मॉडरेशन जैसे गुण भी होते हैं, जो इन्हें अंतरिक्ष, सैन्य और कई अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोगी बनाते हैं।

एरोमैटिक पॉलीफ्थालामाइड्स से संश्लेषित एक कार्बनिक फाइबर, एरामिड, 1960 के दशक के उत्तरार्ध में अस्तित्व में आया। इसका घनत्व कार्बन फाइबर से कम है। इसमें उच्च शक्ति, उच्च उपज, अच्छा प्रभाव प्रतिरोध, अच्छी रासायनिक स्थिरता और ताप प्रतिरोध जैसे गुण हैं, और इसकी कीमत कार्बन फाइबर की आधी है।एरामिड फाइबरइनमें मुख्यतः निम्नलिखित विशेषताएं होती हैं:

1. उत्कृष्ट यांत्रिक गुण। एरामिड फाइबर एक लचीला बहुलक है जिसकी तन्यता शक्ति सामान्य पॉलिएस्टर, कपास और नायलॉन से अधिक होती है। इसमें अधिक खिंचाव, मुलायम स्पर्श और अच्छी कताई क्षमता होती है, जिससे इसे विभिन्न मोटाई और लंबाई के रेशों में ढाला जा सकता है।

2. उत्कृष्ट ज्वाला रोधक और ताप प्रतिरोधक क्षमता। एरामिड का सीमित ऑक्सीजन सूचकांक 28 से अधिक है, इसलिए ज्वाला से हटाने के बाद यह जलना बंद कर देता है। इसमें अच्छी तापीय स्थिरता है, इसे 205℃ पर लगातार उपयोग किया जा सकता है, और 205℃ से अधिक तापमान पर भी इसकी मजबूती बनी रहती है। साथ ही, एरामिड फाइबर का अपघटन तापमान उच्च होता है, जिससे उच्च तापमान पर भी इसकी मजबूती बनी रहती है, और यह 370℃ से अधिक तापमान पर ही कार्बनीकरण शुरू करता है।

3. स्थिर रासायनिक गुण। एरामिड फाइबर अधिकांश रसायनों के प्रति उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदर्शित करते हैं, अधिकांश उच्च सांद्रता वाले अकार्बनिक अम्लों का सामना कर सकते हैं, और कमरे के तापमान पर अच्छे क्षार प्रतिरोध रखते हैं।

4. उत्कृष्ट यांत्रिक गुण। इसमें अति उच्च शक्ति, उच्च मापांक और हल्का वजन जैसे असाधारण यांत्रिक गुण पाए जाते हैं। इसकी शक्ति स्टील के तार से 5-6 गुना अधिक, प्रत्यास्थ मापांक स्टील के तार या कांच के रेशे से 2-3 गुना अधिक, कठोरता स्टील के तार से दोगुनी और वजन स्टील के तार का मात्र 1/5 होता है। एरोमैटिक पॉलीएमाइड फाइबर लंबे समय से उच्च-प्रदर्शन फाइबर सामग्री के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते रहे हैं, जो मुख्य रूप से गुणवत्ता और आकार के लिए सख्त आवश्यकताओं वाले एयरोस्पेस और विमानन दबाव पात्रों के लिए उपयुक्त हैं।

PBO फाइबर को 1980 के दशक में संयुक्त राज्य अमेरिका में एयरोस्पेस उद्योग के लिए विकसित कंपोजिट सामग्रियों के लिए एक सुदृढ़ीकरण सामग्री के रूप में विकसित किया गया था। यह हेटेरोसाइक्लिक एरोमैटिक यौगिकों से युक्त पॉलीएमाइड परिवार के सबसे आशाजनक सदस्यों में से एक है और इसे 21वीं सदी का सुपर फाइबर कहा जाता है। PBO फाइबर में उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं; इसकी मजबूती, प्रत्यास्थता मापांक और ताप प्रतिरोध सभी फाइबरों में सर्वश्रेष्ठ हैं। इसके अलावा, PBO फाइबर में उत्कृष्ट प्रभाव प्रतिरोध, घर्षण प्रतिरोध और आयामी स्थिरता होती है, और यह हल्का और लचीला होता है, जो इसे एक आदर्श वस्त्र सामग्री बनाता है। PBO फाइबर की मुख्य विशेषताएं निम्नलिखित हैं:

1. उत्कृष्ट यांत्रिक गुण। उच्च श्रेणी के पीबीओ फाइबर उत्पादों की मजबूती 5.8 जीपीए और प्रत्यास्थता मापांक 180 जीपीए है, जो मौजूदा रासायनिक फाइबरों में सबसे अधिक है।

2. उत्कृष्ट तापीय स्थिरता। यह 600℃ तक के तापमान को सहन कर सकता है, जिसका सीमा सूचकांक 68 है। यह आग में जलता या सिकुड़ता नहीं है, और इसकी ताप प्रतिरोधकता और अग्निरोधकता किसी भी अन्य कार्बनिक तंतु से अधिक है।

21वीं सदी के अति-उच्च-प्रदर्शन वाले फाइबर के रूप में, पीबीओ फाइबर में उत्कृष्ट भौतिक, यांत्रिक और रासायनिक गुण होते हैं। इसकी मजबूती और प्रत्यास्थता मापांक एरामिड फाइबर से दोगुना है, और इसमें मेटा-एरामिड पॉलीएमाइड के समान ताप प्रतिरोध और अग्निरोधक क्षमता है। इसके भौतिक और रासायनिक गुण एरामिड फाइबर से कहीं बेहतर हैं। 1 मिमी व्यास का पीबीओ फाइबर 450 किलोग्राम तक की वस्तु को उठा सकता है, और इसकी मजबूती स्टील फाइबर से 10 गुना अधिक है।

अति उच्च आणविक भार वाला पॉलीइथिलीन फाइबरपॉलीइथिलीन फाइबर, जिसे उच्च-शक्ति, उच्च-मापांक पॉलीइथिलीन फाइबर के रूप में भी जाना जाता है, विश्व में सबसे अधिक विशिष्ट शक्ति और विशिष्ट मापांक वाला फाइबर है। यह 10 लाख से 50 लाख के आणविक भार वाले पॉलीइथिलीन से काता गया फाइबर है। अति-उच्च आणविक भार पॉलीइथिलीन फाइबर में मुख्य रूप से निम्नलिखित विशेषताएं होती हैं:

1. उच्च विशिष्ट सामर्थ्य और उच्च विशिष्ट मापांक। इसकी विशिष्ट सामर्थ्य समान अनुप्रस्थ काट वाले स्टील के तार की तुलना में दस गुना से अधिक है, और इसका विशिष्ट मापांक विशेष कार्बन फाइबर के बाद दूसरे स्थान पर है। आमतौर पर, इसका आणविक भार 10 से अधिक होता है, जिसमें तन्यता सामर्थ्य 3.5 GPa, प्रत्यास्थ मापांक 116 GPa और 3.4% का विस्तार होता है।

2. कम घनत्व। इसका घनत्व आमतौर पर 0.97~0.98 ग्राम/सेमी³ होता है, जिससे यह पानी पर तैर सकता है।

3. टूटने पर कम खिंचाव। इसमें उच्च ऊर्जा अवशोषण क्षमता, उत्कृष्ट प्रभाव और कट प्रतिरोध, उत्कृष्ट मौसम प्रतिरोध और पराबैंगनी किरणों, न्यूट्रॉन और गामा किरणों के प्रति प्रतिरोधक क्षमता है। साथ ही, इसमें उच्च विशिष्ट ऊर्जा अवशोषण, कम परावैद्युत स्थिरांक, उच्च विद्युत चुम्बकीय तरंग संचरण और रासायनिक संक्षारण के प्रति प्रतिरोधकता, अच्छा घिसाव प्रतिरोध और लंबा लचीलापन जीवन भी है।

पॉलीइथिलीन फाइबर में कई उत्कृष्ट गुण होते हैं, जो इसमें महत्वपूर्ण लाभ प्रदर्शित करते हैं।उच्च-प्रदर्शन फाइबरबाजार में। अपतटीय तेल क्षेत्रों में लंगर डालने वाली रस्सियों से लेकर उच्च-प्रदर्शन वाले हल्के मिश्रित पदार्थों तक, यह आधुनिक युद्ध के साथ-साथ विमानन, अंतरिक्ष और समुद्री क्षेत्रों में जबरदस्त लाभ प्रदर्शित करता है, और रक्षा उपकरणों और अन्य क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।