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.
| Композит | Температура испытания, °C | Прочность при растяжении, МПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа |
|---|---|---|---|
| Стекловолокно (50 %) | |||
| вдоль волокон | 22 | 1050 | 41 |
| −196 | 1340 | 45 | |
| поперёк волокон | 22 | 9 | 11 |
| −196 | 8 | 12 | |
| Арамидное волокно (63 %) | |||
| вдоль волокон | 25 | 1130 | 71 |
| −196 | 1150 | 99 | |
| поперёк волокон | 25 | 4,2 | 2,5 |
| −196 | 3,6 | 3,6 | |
Композиты
| Материал | Применение |
|---|---|
| Стеклопластик | Опоры, подвесы |
| Углепластик | Высокая прочность |
| Арамид | Подвесы 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.
| Материал | λ, Вт/(м·K) |
|---|---|
| Стеклопластик эпоксидный | 0,3–0,4 |
| Фенольный текстолит | 0,25–0,3 |
| Нержавеющая сталь | 15–16 |
| Углеродистая сталь | 45–50 |
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