МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ БАЛЛОН ДАВЛЕНИЯ

Предложение относится к области газовой аппаратуры, а именно к метало композитным баллонам высокого давления, используемым, в частности, в портативных кислородных дыхательных аппаратах альпинистов, спасателей, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения и других отраслях.
Выпускаемые в настоящее время метало композитные баллоны высокого давления содержат внутреннюю тонкостенную металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую оболочку из композиционного материала, образованную намоткой на поверхность лейнера жгутов высокомодульного волокна (например, углеволокна), пропитанного связующим.
В соответствии с требованиями действующей нормативной документации помимо основных требований, предъявляемых к газовым баллонам высокого давления (снижение удельной материалоемкости баллона, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона) дополнительно предъявляется такое требование как нанесение и сохранение информации о параметрах конструкции.
В отличие от металлических конструкций, где нанесение необходимой информации осуществляется ударным способом, в композитных конструкциях данный подход практически не возможен для использования. Как правило, для данных целей используют применение информационных носителей устанавливаемых или на наружной поверхности или внутри стенки композиционного материала оболочки баллона.
Известны конструктивные решения исполнения носителей информации и их установка в конструкциях из композиционных материалов частично представленные в патентах и заявках FR 2707763, ЕР 0708929, US 5858526, ЕР 0175768, AU 4151885, СА 1239351, СА 1251151, СА 1278226, US 19840594310, ЕР 2047984, JP 2008230949, JP 2006281548, JP 2005320425, WO 03078062, FR 2850361, PCT/JP 2008/068470, PCT/US 2004/030147.
В приведенных решениях по указанным выше изобретениям, как правило, предлагается использовать конструкции носителей в виде полимерных пленок или бумаги или их комбинаций. При этом для их надежного крепления предлагаются различного рода клеевые подслойки.
Отмеченные в приведенных выше патентах решения не позволяют решить задачу поглощения и отражения света, формирующего изображение в видимом диапазоне длин волн, и тем самым показывают, что при использовании композиционных материалов в конструкции баллона с высоким коэффициентом поглощения световых волн, не решается задача качественного донесения информации о конструкции.
Известен баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и внутренний тонкостенный герметичный лейнер, при этом между внутренним и наружным слоями силовой оболочки установлена этикетка-паспорт баллона (см. RU 69610 U1, 27.12.2007).
Известное решения не позволяют решить задачу поглощения и отражения света, формирующего изображение в видимом диапазоне длин волн, и тем самим показывают, что при использовании композиционных материалов в конструкции баллона с высоким коэффициентом поглощения световых волн, не решается задача качественного донесения информации о конструкции.
В основу настоящего технического решения положена задача создать метало композитный баллон давления, конструкция которого позволяют качественно наносить информацию и сохранять ее в течение всего срока эксплуатации баллона с увеличенной резкостью и контрастом ее изображения при сохранении невысокой удельной материалоемкости баллона.
Техническим результатом предложения является создание метало композитного баллона давления, конструкция которого позволяют качественно наносить информацию и сохранять ее в течение всего срока эксплуатации баллона с увеличенной резкостью и контрастом ее изображения при сохранении невысокой удельной материалоемкости баллона.
Технический результат достигается за счет того, баллон давления содержит тонкостенный замкнутый герметизирующий металлический лейнер и внешнюю силовую оболочку из композитного материала, образованную комбинацией групп слоев высокомодульных и низкомодульных нитей армирующих материалов, ориентированных в спиральных и окружных направлениях, при этом на части цилиндрической поверхности силовой оболочки баллона в структуре ее стенки, между группой слоев высокомодульных и группой слоев низкомодульных нитей армирующих материалов установлен цилиндрический носитель информации, состоящий из слоя светоотражающего материала, покрывного слоя свето-непоглощающего материала и расположенного между ними идентификационно информационного каркаса.
Для функционирования конструкции важно, чтобы расположенная поверх носителя информации группа слоев низкомодульных армирующих нитей, пропитанных полимерным связующим, образовала композиционный материал с более высокой оптической плотностью, чем оптическая плотность материала носителя информации и дополнительно бала покрыта адгезивным слоем оптически прозрачного лакокрасочного покрытия.
В качестве группы слоев низкомодульных армирующих нитей использованы стеклонити с линейной плотностью не выше 600 текс.
Для функционирования конструкции важно, чтобы носитель информации дополнительно содержал барьерный или связующий слой материала, расположенный между внутренним слоем низкомодульных армирующих нитей пропитанных полимерным связующим и покрывным слоем свето-непоглощающего материала.
Идентификационно информационный каркас носителя информации может быть выполнен из бумаги.
Идентификационно информационный каркас носителя информации, по меньшей мере, частично выполнен из полимерных волокон, предпочтительно полиамидных волокон.
На информационный каркас носителя информации может быть нанесен люминесцентный покровный слой, содержащий агент идентификации, чувствительный к УФ свету.
На информационный каркас носителя информации могут быть нанесены неорганические пигменты, отражающие инфракрасное излучение.
Информационный каркас носителя информации может содержать оптический отбеливатель или контрастирующий агент идентификации и связующее вещество.
В качестве материала покровного свето-непоглощающего слоя носителя информации используется полимерная композиция, включающая эпоксидную диановую смолу и отвердитель.
Носитель информации может быть снабжен, по меньшей мере, одним защитным признаком.
Защитный признак которым снабжен носитель информации, выбран из группы, включающей оттиск, дифракционные структуры, металлическое покрытие, люминофоры, тонкослойные элементы, жидкие кристаллы, магнитные пигменты, термохромные вещества, фотохромные вещества и красители.
Функционирование заявленной конструкции эффективно при действии источников с белым светом и позволяет осуществлять пространственное разделение проецируемого света и окружающего света с последующим отражением проецируемого света и рассеянием окружающего света.
Пространственное разделение основано на эффекте резонансной дифракции при прохождении луча света через неоднородную многослойную структуру, то есть эффекте нарушенного полного внутреннего отражения, который состоит в хроматической и угловой фильтрации пропущенного луча света.
Известно, что резонансные эффекты возникают при распространении электромагнитных волн в слоях неоднородной планарной тонкой пленки. Это происходит в случае, если на пути распространения волны расположены два или более слабопроницаемых непоглощающих слоя, которые и играют роль барьеров, и в области между барьерами формируются стоячие волны. При резонансе амплитуда стоячей волны между барьерами возрастает многократно по сравнению с амплитудой поля входящего света. Одновременно прозрачность барьера для входящей волны может резко возрастать. В заявленном изобретении барьерами являются слои идентификационно информационного каркаса.
Данный резонансный эффект в многослойных структурах наблюдается на практике: в акустике, при прохождении волн в плазме, в оптических системах типа интерференционных фильтров, резонансном туннелировании, и т.д.
- На фиг.1 показан общий вид композитного баллона давления.
- На фиг.2 показана схематическая модель стенки баллона с носителем информации.
- На фиг.3 представлена плоскопараллельная слоистая структура. - На фиг.4 показано изменение коэффициента отражения.
Конструкция баллона содержит первый слой 1 из низкомодульных армирующих нитей, пропитанных полимерным связующим и второй слой 2 из высокомодульных армирующих нитей силовой оболочки, пропитанных полимерным связующим, оптические слои, каждый из которых имеет внешнюю поверхность и противоположную ей внутреннюю поверхность, профили которых выполнены в форме образующих массив размытых пирамидальных призм. В зазоре между поверхностями данных слоев расположен носитель информации 3, состоящий из слоя 4 световозвращающего материала, слоя 5 свето-непоглощающего покровного материала и расположенного между ними идентификационно информационного каркаса 6, поверхности которых также имеет свой профиль в форме массива размытых элементов пирамидальной формы, повторяющих форму поверхности образованной высокомодульными армирующими нитями силовой оболочки баллона. Причем третий и четвертый слои имеют низкий, а первый, второй слои имеют высокий показатель преломления. Кроме того третий слой выполнен из материала с аномальной дисперсией показателя преломления.
Физика процесса
Из оптики известно, что световая волна, падающая на плоскопараллельную слоистую структуру, расщепляется на каждой из границ раздела на прошедшую и отраженную волны, в результате чего в системе возникают ее многократные отражения и преломления.
Границу раздела характеризуют следующими величинами r12 - амплитудным коэффициентом отражения, т.е. отношением амплитуды отраженной волны к амплитуде падающей; t12 - амплитудным коэффициентом пропускания, т.е. отношением амплитуды прошедшей волны к амплитуде падающей (фиг.3).
Точный расчет оптических характеристик всей системы сводится к корректному учету этих многократных отражений. Амплитуды суммируемых волн зависят от коэффициентов отражения и пропускания границ раздела.
При анализе простейшей слоистой структуры, состоящей из двух границ раздела, учет многократных отражений легко проводится лучевым методом. Смысл его заключается в прослеживании прохождения каждого луча во всех последовательных актах отражения и пропускания, а также учитывается интерференция всех образующихся при этом разделенных лучей.
2
2
При наложении большого числа пучков распределение интенсивности в интерференционной картине существенно иное. Изменение характера интерференционных полос при увеличении числа N пучков качественно можно предсказать на основе закона сохранения энергии. Амплитуда световых колебаний в максимумах интенсивности, где сложение колебаний происходит в одинаковой фазе, в N раз больше, а интенсивность в N раз больше, чем от одного пучка (при условии, что когерентные пучки имеют одинаковую или почти одинаковую интенсивность). Но полная энергия, приходящаяся на одну интерференционную полосу, лишь в N раз больше, чем в одном пучке. Увеличение интенсивности в максимумах в N раз возможно только в случае существенного перераспределения потока энергии в пространстве: при прежнем расстоянии между светлыми полосами их ширина должна быть примерно в N раз меньше этого расстояния.
Благодаря образованию узких максимумов, т.е. резких светлых полос, разделенных широкими темными промежутками, многолучевая интерференция получила важное практическое применение в просветлении оптики, оптических фильтрах и многослойных диэлектрических покрытиях.
Для понимания процесса рассмотрим поведение двухслойной среды, в которой на поверхность стекла, показатель преломления которого ns, нанесен прозрачный (поглощения нет) диэлектрический слой с показателем преломления n>ns. Толщина слоя d выбрана так, чтобы его оптическая толщина nd была равна λ0/4, т.е. четверти длины волны в вакууме. Здесь λ0 - некоторая выбранная (заданная) длина волны. При этом увеличивается коэффициент отражения поверхности. Действительно, волны, отраженные (при нормальном падении) передней и задней границами слоя, находятся в фазе, так как отставание фазы второй волны на р, накопившееся при ее распространении внутри пленки туда и обратно, компенсируется изменением фазы первой волны на p при ее отражении от оптически более плотной среды. Иными словами, на передней грани происходит скачок фазы волны на p и такое же изменение фазы дает оптическая разность хода лучей.
Пусть свет падает из воздуха по нормали на поверхность стекла с нанесенной на стекло тонкой пленкой. Путем сложения амплитуды отраженной от наружной поверхности пленки волны с амплитудами волн, выходящих из пленки в воздух после многократных отражений в ней, получаем формулу для суммарного амплитудного коэффициента отражения RI:
Здесь R12 и R23 - амплитудные коэффициенты отражения на границах сред:
γ - фазовый сдвиг, учитывающий скачки фазы на границе.
i
2
На фиг.4 показано, как изменяется коэффициент отражения по мощности R=|R| системы «воздух (n0=1) - пленка (nВ) - стекло (ns)» для излучения с длиной волны λ в зависимости от оптической толщины пленки nBd. Если пленка является четвертьволновой (nBd=ml/4, m=1, 3, 5…), для R получается выражение:
Максимальное значение коэффициента отражения рассматриваемой системы тем выше, чем выше показатель преломления пленки nВ. Отсюда и следует возможность увеличения отражения от поверхности путем нанесения на нее четвертьволнового слоя.
Если величина nВ близка к ns (nВ 1.5), то границы раздела нет и невозможно отличить пленку от стеклянной подложки. Коэффициент отражения системы R=0.04 есть коэффициент отражения от границы «воздух - стекло» и не зависит от толщины пленки. Такая же величина R достигается для nBd=mill (m=0, 1, 2…) для любых значений nВ.
На практике высокого коэффициента отражения добиваются путем применения многослойных покрытий с чередующимся высоким (nВ) и низким (nН) показателем преломления. Если оптическая толщина всех слоев одинакова и равна l0/4, то отраженные их границами волны находятся в одинаковой фазе и в результате интерференции усиливают друг друга.
Такие многослойные диэлектрические покрытия дают высокую отражательную способность только в ограниченной области длин волн вблизи значения l0, для которого оптическая толщина слоев равна λ0/4.
В большинстве случае для изготовления интерференционных покрытий наиболее целесообразно использовать покрытия из чередующихся слоев с высокими и низкими показателями преломления, имеющих одинаковую оптическую толщину, кратную λ0/4. Чередование слоев соответствует тому обстоятельству, что для каждого из слоев при этом выполняется условие антипросветления (обе обрамляющие среды имеют либо большие, либо меньшие показатели преломления). Если покрытие работает в воздухе, то наружный слой, очевидно, должен иметь высокий коэффициент преломления, ибо в противном случае он будет оказывать просветляющее действие, то есть граница «воздух - покрытие» будет давать малый уровень отражения, ухудшая действие покрытия как целого. Если же покрытие граничит снаружи с веществом, обладающим большим показателем преломления, то наружный слой должен изготовляться из материала с низким показателем преломления.
Эти требования относятся и к нижнему слою покрытия. Однако если величина показателя преломления подложки лежит между значениями показателей преломления материалов, из которых состоят слои, то выбор нижнего слоя произволен. При соблюдении этих условий коэффициент отражения монотонно растет с увеличением числа слоев. Однако четные слои оказывают гораздо меньшее влияние на отражательную способность покрытия, чем нечетные.
Некоторого увеличения области высокого отражения можно достичь, увеличивая разницу в показателях преломления слоев, составляющих покрытие.
Конструкция баллона функционирует следующим образом.
Луч внешнего света входит в первый слой 1, который имеет волнистую поверхность близкую к призматической поверхности пирамидальной формы. Благодаря эффекту резонансной дифракции только луч с фиксированным углом падения и заданной длиной волны проходит через зигзагообразную слоистую структуру носителя информации 3 в световозвращающий слой 4 с призматической внешней поверхностью.
Данный отфильтрованный свет отражается отражающим (световозвращающим) слоем 4 и проходит обратно через слоистую структуру носителя информации 3 в направлении наблюдателя. Для исключения рассеивания выходящего света на внешней поверхности слоя 1 наносится слой оптически прозрачного лакокрасочного покрытия 7 с высокой чистотой внешней поверхности на границе «воздух - покрытие».
Свет с другими длинами волн и другими углами падения отражается от зигзагообразной многослойной структуры и рассеивается в разных направлениях.
Многослойная структура заявленной конструкции функционирует как поляризационный фильтр, то есть только одно линейное состояние света пропускается через структуру.
Оптимизация пропускания пропущенного света может быть проведена путем изменения толщины слоев и коэффициентов преломления используемых материалов слоев.
Для реализации конструкции в качестве группы слоев низкомодульных армирующих нитей целесообразно использовать стеклонити с линейной плотностью не выше 600 текс. Данный материал, пропитанный полимерным связующим, образует слой 1 с поверхностями в виде размытых призм и позволяет варьировать их размерами за счет изменения технологических параметров намотки. Управляя толщиной нитей, шириной наматываемой ленты из данных нитей, заходностью намотки возможно образование различных вариантов волнистой поверхности. Для регулирования формой поверхностей данного слоя целесообразно ввести дополнительно барьерный или связующий слой материала, расположенный между внутренним слоем низкомодульных армирующих нитей пропитанных полимерным связующим и многокомпонентным слоем идентификационно информационного каркаса.
При этом для качественной передачи и сохранения информации на идентификационно информационный каркас целесообразно нанести люминесцентный покровный слой, содержащий агент идентификации, чувствительный к УФ свету или неорганические пигменты, отражающие инфракрасное излучение.
Для увеличения эффекта отражения от слоя 2 целесообразно в информационный каркас носителя информации вводить оптический отбеливатель или контрастирующий агент идентификации и связующее вещество, а также в качестве материала свето-непоглощающего слоя использовать полимерную композицию включающую эпоксидную диановую смолу, отвердитель.
При этом для защиты конструкции целесообразно в носитель информации вводить защитные признаки. Данные признаки могут выбираться из группы, включающей оттиск, дифракционные структуры, металлическое покрытие, люминофоры, тонкослойные элементы, жидкие кристаллы, магнитные пигменты, термохромные вещества, фотохромные вещества и красители.
Таким образом, выполняя конструкцию баллона по предлагаемой схеме, полностью обеспечивается качество закладываемой о баллоне информации, ее сохранение в течение всего срока эксплуатации баллона и практически не вносится никаких дополнительных технологических приемов в технологию его реализации.
Изготовление и испытание баллонов давления предложенной конструкции подтвердили их высокую надежность и эффективность.