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La couche interne d'un réservoir sous pression à enveloppe fibreuse est principalement une structure de revêtement dont la fonction première est d'assurer l'étanchéité et d'empêcher les fuites de gaz ou de liquide haute pression stocké à l'intérieur, tout en protégeant la couche externe à enveloppe fibreuse. Cette dernière n'est pas corrodée par le fluide interne, et la couche externe, constituée d'une enveloppe fibreuse renforcée de résine, supporte la majeure partie de la pression interne du réservoir.

Structure d'un réservoir sous pression à fibres enroulées : Les réservoirs sous pression en matériaux composites se présentent principalement sous quatre formes structurelles : cylindrique, sphérique, annulaire et rectangulaire. Un réservoir circulaire est constitué d'une section cylindrique et de deux fonds. Les réservoirs sous pression métalliques sont fabriqués selon des formes simples, avec une résistance accrue dans le sens axial. Sous pression interne, les contraintes longitudinales et transversales d'un réservoir sphérique sont égales, et la contrainte circonférentielle est la moitié de celle d'un réservoir cylindrique. Les matériaux métalliques présentent une résistance uniforme dans toutes les directions ; par conséquent, les réservoirs métalliques sphériques sont conçus pour une résistance homogène et une masse minimale pour un volume et une pression donnés. L'état de contrainte d'un réservoir sphérique est idéal, et l'épaisseur de sa paroi peut être minimale. Cependant, en raison de la plus grande difficulté de fabrication des réservoirs sphériques, leur utilisation est généralement réservée à des applications spécifiques telles que les engins spatiaux. Les conteneurs annulaires sont rares dans la production industrielle, mais leur structure reste nécessaire dans certaines situations particulières. Par exemple, les engins spatiaux utilisent cette structure spéciale pour optimiser l'espace limité. Les conteneurs rectangulaires sont principalement utilisés pour optimiser l'espace lorsque celui-ci est limité, comme les wagons-citernes rectangulaires pour automobiles et les wagons-citernes ferroviaires. Ces conteneurs sont généralement des réservoirs à basse pression ou à pression atmosphérique, et leur légèreté est un critère de choix.

La complexité de la structure des réservoirs sous pression en matériaux composites, les variations brusques d'épaisseur et de section des embouts, ainsi que la variabilité de l'épaisseur et de l'angle de ces derniers, complexifient considérablement la conception, l'analyse, le calcul et le moulage. Parfois, ces réservoirs nécessitent non seulement un enroulement à différents angles et rapports de vitesse au niveau des embouts, mais aussi des méthodes d'enroulement spécifiques à chaque structure. Parallèlement, l'influence de facteurs pratiques tels que le coefficient de frottement doit être prise en compte. Par conséquent, seule une conception structurelle correcte et rationnelle permet de guider efficacement le processus d'enroulement.matériau compositedes réservoirs sous pression, permettant ainsi la production de réservoirs sous pression en matériaux composites légers répondant aux exigences de conception.

Matériaux pour les réservoirs sous pression à enroulement fibreux

La couche de fibres enroulées, constituant l'élément porteur principal, doit présenter une résistance élevée, un module d'élasticité élevé, une faible densité, une stabilité thermique, une bonne mouillabilité par la résine, une bonne aptitude à l'enroulement et une densité de fibres uniforme. Parmi les matériaux de renforcement couramment utilisés pour les réservoirs sous pression composites légers, on trouve les fibres de carbone, les fibres PBO, les fibres aramides et les fibres de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire.

fibre de carboneLa fibre de carbone est un matériau fibreux dont le carbone est le composant principal. Elle est obtenue par carbonisation de précurseurs de fibres organiques à haute température et constitue un matériau fibreux haute performance avec une teneur en carbone supérieure à 95 %. La fibre de carbone possède d'excellentes propriétés et les recherches à son sujet ont débuté il y a plus de 100 ans. C'est un matériau fibreux bobiné haute performance, caractérisé par une résistance, un module d'élasticité et une densité élevés, principalement par les propriétés suivantes :

1. Faible densité et poids léger. La densité de la fibre de carbone est de 1,7 à 2 g/cm³, soit 1/4 de la densité de l'acier et 1/2 de la densité de l'alliage d'aluminium.

2. Haute résistance et module d'élasticité élevé : Sa résistance est 4 à 5 fois supérieure à celle de l'acier et son module d'élasticité 5 à 6 fois supérieur à celui des alliages d'aluminium, présentant une récupération élastique absolue (Zhang Eryong et Sun Yan, 2020). La résistance à la traction et le module d'élasticité de la fibre de carbone peuvent atteindre respectivement 3 500 à 6 300 MPa et 230 à 700 GPa.

3. Faible coefficient de dilatation thermique : La conductivité thermique de la fibre de carbone diminue avec l’augmentation de la température, ce qui la rend résistante aux cycles de refroidissement et de chauffage rapides. Elle ne se fissure pas, même après un refroidissement de plusieurs milliers de degrés Celsius à température ambiante, et elle ne fond pas et ne se ramollit pas dans une atmosphère non oxydante à 3 000 °C ; elle ne devient pas cassante à la température d’un liquide.

4. Excellente résistance à la corrosion : La fibre de carbone est inerte aux acides et résiste aux acides forts tels que l’acide chlorhydrique concentré et l’acide sulfurique. De plus, les composites en fibre de carbone présentent des caractéristiques telles que la résistance aux radiations, une bonne stabilité chimique, la capacité d’absorber les gaz toxiques et la modération des neutrons, ce qui les rend largement applicables dans l’aérospatiale, le secteur militaire et de nombreux autres domaines.

L'aramide, une fibre organique synthétisée à partir de polyphthalamides aromatiques, a fait son apparition à la fin des années 1960. Sa densité est inférieure à celle de la fibre de carbone. Elle présente une résistance élevée, un rendement élevé, une bonne résistance aux chocs, une bonne stabilité chimique et une bonne résistance à la chaleur, et son prix est deux fois moins élevé que celui de la fibre de carbone.Fibres d'aramideElles présentent principalement les caractéristiques suivantes :

1. Excellentes propriétés mécaniques. La fibre d'aramide est un polymère flexible présentant une résistance à la traction supérieure à celle des polyesters, du coton et du nylon ordinaires. Elle possède une grande capacité d'allongement, un toucher doux et une bonne aptitude au filage, ce qui permet de la transformer en fibres de différentes finsesses et longueurs.

2. Excellentes propriétés ignifuges et de résistance à la chaleur. L'aramide possède un indice limite d'oxygène supérieur à 28, ce qui lui permet de ne pas brûler après avoir été retirée d'une flamme. Elle présente une bonne stabilité thermique, peut être utilisée en continu à 205 °C et conserve une résistance élevée même à des températures supérieures à 205 °C. Par ailleurs, les fibres d'aramide ont une température de décomposition élevée, ce qui leur permet de conserver une résistance élevée même à haute température, et ne commencent à se carboniser qu'à des températures supérieures à 370 °C.

3. Propriétés chimiques stables. Les fibres d'aramide présentent une excellente résistance à la plupart des produits chimiques, peuvent supporter la plupart des fortes concentrations d'acides inorganiques et ont une bonne résistance aux alcalis à température ambiante.

4. Excellentes propriétés mécaniques. Ce matériau possède des propriétés mécaniques exceptionnelles, telles qu'une résistance ultra-élevée, un module d'élasticité élevé et une grande légèreté. Sa résistance est 5 à 6 fois supérieure à celle du fil d'acier, son module d'élasticité 2 à 3 fois supérieur à celui du fil d'acier ou de la fibre de verre, sa ténacité est deux fois supérieure à celle du fil d'acier et son poids est seulement 1/5 de celui du fil d'acier. Les fibres de polyamide aromatique sont utilisées depuis longtemps comme matériaux fibreux haute performance, notamment pour les réservoirs sous pression des secteurs de l'aérospatiale et de l'aviation, qui exigent une qualité et une forme irréprochables.

La fibre PBO a été développée aux États-Unis dans les années 1980 comme matériau de renforcement pour les matériaux composites destinés à l'industrie aérospatiale. Elle figure parmi les membres les plus prometteurs de la famille des polyamides, composés de molécules aromatiques hétérocycliques, et est considérée comme la super-fibre du XXIe siècle. La fibre PBO possède d'excellentes propriétés physico-chimiques : sa résistance, son module d'élasticité et sa résistance à la chaleur sont parmi les meilleures de toutes les fibres. De plus, elle présente une excellente résistance aux chocs et à l'abrasion, ainsi qu'une grande stabilité dimensionnelle. Légère et flexible, elle constitue un matériau textile idéal. La fibre PBO possède les principales caractéristiques suivantes :

1. Excellentes propriétés mécaniques. Les produits en fibres PBO haut de gamme présentent une résistance de 5,8 GPa et un module d'élasticité de 180 GPa, les plus élevés parmi les fibres chimiques existantes.

2. Excellente stabilité thermique. Elle résiste à des températures allant jusqu'à 600 °C, avec un indice limite de 68. Elle ne brûle pas et ne rétrécit pas au contact d'une flamme, et sa résistance à la chaleur et à la flamme est supérieure à celle de toute autre fibre organique.

Fibre ultra-performante du XXIe siècle, la fibre PBO possède des propriétés physiques, mécaniques et chimiques exceptionnelles. Sa résistance et son module d'élasticité sont deux fois supérieurs à ceux de la fibre aramide, et elle présente la même résistance à la chaleur et la même ignifugation que le polyamide méta-aramide. Ses propriétés physiques et chimiques surpassent largement celles de la fibre aramide. Une fibre PBO de 1 mm de diamètre peut soulever un objet pesant jusqu'à 450 kg, et sa résistance est plus de dix fois supérieure à celle de la fibre d'acier.

Fibre de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaireLa fibre de polyéthylène à ultra-haute masse moléculaire (UHMW), également connue sous le nom de fibre de polyéthylène à haute résistance et à haut module, est la fibre présentant la résistance et le module spécifiques les plus élevés au monde. Elle est filée à partir de polyéthylène dont la masse moléculaire est comprise entre 1 et 5 millions. L'UHMW présente principalement les caractéristiques suivantes :

1. Résistance et module spécifiques élevés. Sa résistance spécifique est plus de dix fois supérieure à celle d'un fil d'acier de même section, et son module spécifique n'est surpassé que par celui de fibres de carbone spéciales. Typiquement, sa masse moléculaire est supérieure à 10, avec une résistance à la traction de 3,5 GPa, un module d'élasticité de 116 GPa et un allongement de 3,4 %.

2. Faible densité. Sa densité est généralement de 0,97 à 0,98 g/cm³, ce qui lui permet de flotter sur l'eau.

3. Faible allongement à la rupture. Ce matériau présente une forte capacité d'absorption d'énergie, une excellente résistance aux chocs et aux coupures, une excellente résistance aux intempéries, ainsi qu'aux rayons ultraviolets, aux neutrons et aux rayons gamma. Il possède également une absorption d'énergie spécifique élevée, une faible constante diélectrique, une transmittance élevée des ondes électromagnétiques et une résistance à la corrosion chimique, ainsi qu'une bonne résistance à l'usure et une longue durée de vie en flexion.

La fibre de polyéthylène possède de nombreuses propriétés supérieures, ce qui démontre un avantage significatif dans le domaine defibre haute performanceSur le marché, des lignes d'amarrage dans les champs pétroliers offshore aux matériaux composites légers haute performance, il présente des avantages considérables dans la guerre moderne, ainsi que dans les secteurs de l'aviation, de l'aérospatiale et du maritime, jouant un rôle crucial dans les équipements de défense et d'autres domaines.