Development of Pressure Vessel Using Steel Fiber

Abstract

Denne oppgaven har undersøkt muligheten for bruk av ende-trukket rustfritt stålfiber med diameter på 8 $\mu$m for å produsere fiberforsterket polymerkompositt produsert gjennom filamentviklingsmetode. Hovedformålet med denne oppgaven har vært å undersøke hybridiseringseffekten mellom stål- og karbonfiber når det brukes i fiberforsterket polymer kompositt trykkbeholdere. Mekaniske og elastiske egenskaper har blitt evaluert ved eksperimentelle tester og analytiske metoder har blitt brukt til å sammenligne resultater.

To forskjellige sammensatte produkter har blitt produsert gjennom filamentviklingsmetode for denne studien; ringprøver og trykkbeholdere. Ringeprøver ble produsert med tre forskjellige fibermaterialekonfigurasjoner; \gls{sfrp}, \gls{cfrp}, og en hybrid mellom \gls{sfrp} og \gls{cfrp}. Trykkbeholderne ble produsert med [$\ang{90}_{2C}$/$\pm{\ang{15}_{2C}}$/$\ang{90}_{2S}$] layup. Avbrenningstest og mikroskopi-bildeanalyse ble brukt for å bestemme fibervolumfraksjonen av de produserte komposittene og benyttet til beregning av elastiske egenskaper. Tomrom andel, binding mellom stål og karbonfiber lagene, og lagtykkelse har også blitt vurdert.

Split-disk test ble utført på ringprøver og mekaniske egenskaper sammenlignet mellom hverandre. Resultatene fra testen viste at den ønskede strekk-til-sviktverdien av stålfiberen i tørr form ikke ble overført når den ble brukt som fiberforsterkning i epoksymatrise. Hybridiseringen av stål- og karbonfiber lyktes ikke i å forbedre strekk-til-brudd av \gls{cfrp} kompositt, men det var imidlertid i stand til å øke strekkfastheten til hybridprøvene sammenlignet med \gls{sfrp} ringprøver. Dropptesten som ble utført på trykkbeholderen som ble produsert i studiet viste forbedring i støt motstand ved bruk av \gls{sfrp} som ytre hoop lag i komposittomfanget av trykkbeholderen sammenlignet med bruk av \gls{cfrp} komposittomslag.

This thesis has investigated the feasibility of using end-drawn stainless steel fiber with diameter of 8$\mu$m to make fiber reinforced polymer composite produced through filament winding method. The main objective for this thesis has been to investigated the hybridisation effect between steel- and carbon fiber when used in fiber reinforced polymer composite pressure vessels. Mechanical- and elastic properties has been obtained by experimental tests and evaluated by analytical methods.

Two different composite products have been produced through filament winding method for this study; ring specimens and pressure vessels. The ring specimens were produced with three different fiber material configuration; \gls{sfrp}, \gls{cfrp}, and a hybrid between \gls{sfrp} and \gls{cfrp}. The pressure vessel were produced with [$\ang{90}_{2C}$/$\pm{\ang{15}_{2C}}$/$\ang{90}_{2S}$] layup. Burn-off test and microscopy image analysis were used to determine fiber volume fraction of the composites produced, and used for calculation of elastic properties. Void count, bonding between steel and carbon fiber layers, and ply thickness has also been assessed.

Split-disk test were conducted on the ring specimens and mechanical properties compared between each other. The results from the testing showed that the desired strain-to-failure value of the steel fiber in dry form did not transfer when used as fiber reinforcement in epoxy matrix. The hybridization of steel- and carbon fiber was not successful in improving the strain-to-failure of \gls{cfrp}, it was however able to increase the tensile strength of the hybrid ring samples when compared with the \gls{sfrp} ring samples. The impact test conducted on the pressure vessel produced in the study showed improvement in impact resilience when using \gls{sfrp} as outer hoop layers in the composite overwrap of the pressure vessel compared to using \gls{cfrp} composite overwrap. The \gls{sfrp} hoop layers showed to have a more ductile impact imprint and less fiber failure from the impact than the \gls{cfrp} hoop layers.