Перейти к содержимому
(495) 984-74-92
(495) 226-51-87
info@xiron.ru
Telegram - MAX

Волоконные соединения

Стекло- и углепластики сохраняют прочность при низких температурах и плохо проводят тепло, поэтому из них делают опоры трубопроводов, подвесы сосудов и конструкции криостатов.

Неметаллические соединения усиленные волокнами получили широкое распространение в низкотемпературных структурных приложениях, потому что они имеют хорошую прочность и низкую теплопроводность при низкой плотности. Неметаллические соединения обычно формуются, путем совместной формовки слоев волокнистых материалов в жидкой термореактивной смоле типа полиэстера или смол эпоксигруппы. Волокна часто, но не обязательно цельные, непрерывные, без разрывов; они могут иметь форму узлов, матов, нитей или стеклянных тканых материалов. Наиболее часто используемые волоконные материалы это стекло, арамид и углерод.

Укрепляющие волокна прибавляют значительную механическую прочность к ломкому матричному материалу и могут понизить коэффициент теплового расширения до значений, сопоставимых с металлом. Высокие критерии (отношение теплопроводности к модулю упругости или прочности) могут уменьшить затраты заменой металлических деталей. Неметаллические соединения могут использоваться для резервуаров, труб, прокладок, полосок и покрытий в низкотемпературных системах охлаждения. Эти материалы хорошо себя показывают при высоких давлениях и под циклическим напряжением; они не разлагаются химически при низких температурах. Различные комбинации волоконных материалов, матриц, загружаемых фракций и ориентации приводят к различным свойствам.

Свойства материалов часто анизотропны, с максимальными свойствами в направлении волокон. Разрушение материала может быть вызвано трещиной, перпендикулярной матрице как следствие приложенного в данном направлении напряжения. Излом может распространиться по волокнам, но вообще не приводит к полному разрушению. Максимальные удлинения при изломе обычно составляет 2–5 %; материал вообще эластичен для полного разрушения. Главное преимущество использования стекловолокна с термореактивной матрицей способность не усаживаться при охлаждении как большинство металлов. Волокна арамида производят слоистые пластики с более низкой плотностью, но большей стоимостью. С углеродными волокнами, возможно, получить изделия, которые покажут фактически нулевое сокращение при охлаждении. Типичные данные по механическим свойствам для усиленных стекловолокном слоистых пластиков приведены в Таблице 7. При сжимающей нагрузке, прочность и величина модуля составляет 60–70 % от растягивающей нагрузки из-за стягивания матрицы.

Таблица 7. Свойства при растяжении однонаправленных композитов, армированных волокном
КомпозитТемпература испытания, °CПрочность при растяжении, МПаМодуль упругости при растяжении, ГПа
Стекловолокно (50 %)
вдоль волокон22105041
−196134045
поперёк волокон22911
−196812
Арамидное волокно (63 %)
вдоль волокон25113071
−196115099
поперёк волокон254,22,5
−1963,63,6

Композиты

Композиты
МатериалПрименение
СтеклопластикОпоры, подвесы
УглепластикВысокая прочность
АрамидПодвесы криостатов

Смежная тема — в статье тепловая изоляция трубопроводов и сосудов.

Как композитная опора уменьшает теплоприток: расчёт

Композитная опора уменьшает теплоприток к холодному аппарату, потому что теплопроводность стеклопластика в десятки раз ниже, чем у стали: около 0,3 Вт/(м·K) против 15–16 Вт/(м·K) у нержавеющей стали. Через опору одинакового сечения проходит во столько же раз меньше тепла.

Q = λ · A · Δt / L

Пример: опора сечением 20 см² и высотой 100 мм, перепад 100 K. Для стеклопластика Q = 0,3 · 0,002 · 100 / 0,1 = 0,6 Вт, для нержавеющей стали — 16 · 0,002 · 100 / 0,1 = 32 Вт. На аппарате с восемью опорами разница составляет около 250 Вт холода, которые не нужно вырабатывать компрессором нижнего контура.

Теплопроводность материалов опор (ориентир)
Материалλ, Вт/(м·K)
Стеклопластик эпоксидный0,3–0,4
Фенольный текстолит0,25–0,3
Нержавеющая сталь15–16
Углеродистая сталь45–50

Изоляция вокруг опор описана в статье изоляция низкотемпературных трубопроводов. Такие опоры и вставки снижают нагрузку в камерах до −75 °C с каскадной установкой, где каждый ватт холода стоит дорого.

Частые вопросы

Зачем композиты в низкотемпературных системах?

Они прочны при холоде и плохо проводят тепло — хорошие опоры. Через стеклопластиковую опору проходит в 40–50 раз меньше тепла, чем через стальную того же сечения.

Какой композит самый распространённый?

Стеклопластик. Углепластик прочнее и меньше сжимается, но дороже и лучше проводит тепло вдоль волокон.

Насколько стеклопластиковая опора лучше стальной?

Теплопроводность стеклопластика около 0,3 Вт/(м·K), нержавеющей стали — около 16 Вт/(м·K). При одинаковом сечении через стеклопластиковую опору проходит примерно в 50 раз меньше тепла.

Читайте также

Добавить комментарий
Защитный код