книги / Технология композиционных материалов

локон. При этом характеристики композитов в направлении укладки волокон повышаются пропорционально количеству волокон в каждом направлении.

В зависимости от принципа образования пространственных свя­ зей материалы делятся на три группы. К первой относятся компози­ ты на основе многослойных тканей, в которых пространственные связи образуются в направлении нитей основы, связывающих отдель­ ные слои или проходящих через всю толщину ткани. Ко второй груп­ пе относятся материалы, в которых пространственные связи армиру­ ющего наполнителя создаются за счет введения волокон третьего, четвертого и пятого направления. Такие материалы образуются сис­ темой трех и более нитей. К третьей группе относятся композиты, в которых пространственные связи создаются за счет нитевидных кристаллов, выращенных или нанесенных на поверхность волокон, лент, тканей и внедрившихся между волокнами основного наполни­ теля.

Для композитов на основе высокомодульных углеродных и бор­ ных волокон наиболее приемлема схема трехмерного армирования, при которой упрочняющие волокна сохраняют прямолинейность, так называемая структура 3 d . Возможны схемы с укладкой в четырех направлениях - 4 d , пяти направлениях - 5 d и т .д . В этом слу­ чав в разных направлениях возможна укладка различных волокон благодаря чему образуется многокомпонентный материал.

1.4.2.4. Вискеризация

Армирование дискретными волокнами полимерной матрицы, за ­ полняющей межволоконное пространство в композитах с непрерывны­ ми волокнами, позволяет не только повысить прочностные и упру­ гие характеристики композитов при сдвиге без ухудшения их свойств в направления армирования, но и направленно изменить некоторые физические свойства композита.

1 .4 .2 .5 . Самоармирующиеся материалы

Самоармярупциеся полимеры в отличив от обычных КМ не нужда­ ются в армировании волокнами или другими упрочнителями. Эти КМ содержат стержнеобразные молекулы с длинными цепями, которые мо­

Материалы с направленной ориентацией наполнителя в зависи­ мости от числа направлений армирования могут быть одноосно-арми­

строения и трудности реализации технических решений по механиза­ ции производства.

Углерод-углеродный композиционный материал никогда не созда­ ется вообще, он разрабатывается для конкретного изделия с задан­ ными характеристиками, т .е . конструируется такой материал кото­ рый наиболее полно отвечал бы всем требованиям и условиям эксплу­ атации проектируемого изделия.

Технологический процесс создания изделия из УУКМ осуществля­ ется, как правило, методом автономности, т .е . технологической не­ зависимости. Формируют армирующий каркас и углеродную матрицу раз­ дельно. В настоящее время разрабатываётся принципиально новый про­ цесс химического конструирования УУКМ методом технологического совмещения, при котором в одном объеме из газовой фазы формирует­ ся и объемный армирующий каркас, и углеродная матрица. Этот про­ цесс позволит исключить из технологического цикла трудоемкий, до­ рогой и вредный для окружающей среды и человека процесс получения как полуфабриката (белого волокна), так и готового углеродного во­ локнистого наполнителя.

При изготовлении армирующих каркасов в зависимости от вида наполнителя, способа переработки в каркас, применяемого оборудова­ ния технологией предусматриваются подготовительные операции: тро­ щение, крутка, шлихтование, перемотка. Они оказывают существенное влияние на механические свойства каркаса и композита в целом.

Т р о щ е н и е - соединение нитей в прядь для получения жгу­ тов заданной линейной плотности.

К р у т к а вместе с операцией трощения предназначена для получения жгутов заданной линейной плотности. Величина крутки (число витков или кручений на один метр нити) влияет на свойства

вращении против часовой стрелки - левое. Придание равномерности и устойчивости крученым нитям достигается соединением и кручени­ ем двух предварительно скрученных нитей. Причем они имеют направ­ ления крутки, противоположные друг другу, для углеродных нитей обычно число круток 25-50 на I метр нити. При увеличении числа круток происходит снижение относительной разрывной нагрузки нити.

Ш л и х т о в а н и е . Существующие углеродные нити не обла­ дают достаточной стойкостью к многократным переменным нагрузкам и истирающим воздействиям, что затрудняет их переработку в изде­ лия. Одним из способов защиты УШ от механических повреждений яв­ ляется шлихтование. Например, при подготовке нитей "Урал" и УД!

для придания им необходимых текстильных свойств в качестве соста­ ва для покрытия применяют раствор полиуретана СКУ-ПФЛ в ацетоне (2,5-5 %) и поливиниловый спирт (ПВС) с глицерином (10-20 % гли­ церина).

Для шлихтования применяют специальные шлихтовальные установ­

мотки нить подвергается воздействию переменных сил натяжения и сил трения. Величина натяжения принимается равной 4-8 % от прочности перематываемой нити.

При сильном воздействии сил трения, возникающих при перемотке, от поверхности нити могут отделяться волокна и нить может оборвать­ ся. Поэтому нитетракт должен обеспечивать минимальное количество перегибов нити при перемотке.

2 .1 .2 . Строение армирующих систем

ДйРИЦИпц конструирования армирующих систем. Структура армиру­ ющей системы является одним из основных факторов, определяющих свойства углерод-углеродных композиционных материалов. Ориентация

армирующих элементов позволяет получать композит с требуемыми характеристиками.

Структурные схемы армирующих систем должны удовлетворять трем основным требованиям:

I)учитывать направления максимальных действующих нагрузок

иусловия работы материала в конструкции;

J)обеспечивать свободный доступ углеродсодержащего реа­

гента в любую точку объема при формировании матрицы;

3) допускать возможность механизированного изготовления. Влияние строения армирующих систем на свойства УУКМ. Опре­

деляющими параметрами армирующего каркаса выступают объемное содержание наполнителя, геометрия расположения волокна (схема армирования) и распределение волокон по направлениям армирования.

Кроме вида каркаса, на свойства получаемых материалов влия­ ют размер элементарной ячейки каркаса и размер заготовки в попе­ речном сечении.

Изменение размера ячейки и связанное с этим изменение плот­ ности каркаса сложным образом влияют на процесс формирования уг­ леродной матрицы, так как меняется структура каналов, по которым в зону реакции транспортируется углеродсодержащий реагент.

Свойства УУКМ сильно зависят от плотности материала. На ве­ личину плотности УУКМ влияет объем закрытой пористости в матери­ але, который слагается из двух составляющих: макролор, обуслов­ ленных особенностью структуры армирующего каркаса, и микропор, возникающих между филаментами волокон при формировании углерод­ ной матрицы.

Большинство существующих УУКМ слабо сопротивляется межслое­ вому сдвигу и поперечному отрыву. В устранении этих недостатков важное место занимает пространственное армирование.

2.1 .3 . Технология формирования армирующих пространственных систем

Конструктивное исполнение углеродных объемно-армированных УУКМ может быть каркасным и тканевым. Полученная основа наполни­ теля в виде жесткого каркаса или мягкой тканевой формы на оправ­

ке с соответствующим профилем заполняется углеродной матрицей. Любая схема армирования ведет к нескольким следствиям: сообщаю­ щиеся пори соседних слоев имеют лабиринтообразный характер; ла­ биринтообразные поры в каждом слое по ширине равны диаметру (условному) жгута; две щелевые полости в смежных слоях могут быть соединены узкими проходами, образуя своеобразные бутылко­ образные поры. Для исключения закупорки этих пор и образования макропористости структурная схема армирования должна иметь сквоз­ ные транспортные каналы постоянного сечения по всему объему.

В различных конструкциях наибольшее распространение получи­ ли системы с ортогональной или псевдоортогональной структурой, образованные плетением, объемным ткачеством либо на основе тканей.

Трехмерно-натравленная ортогональная армирующая система фор­ мируется переплетением трех семейств прямолинейных волокон, при­ чем каждое семейство образует с двумя другими угол ,90° (рис.2 .1 ).

Каркасы такой структуры доста­ точно просты в изготовлении, имеют необходимую прочность и жесткость в направлении арми­ рования. Армирование тремя вы­ прямленными нитями устраняет трансверсальную слабость мате­ риала и повышает межсдвиговуго прочность. Основными параметра­ ми структуры являются межцент­ ровое расстояние меаду волокна­ ми армирования (МРМВА) и число сложений жгутов. Требуемые ме­ ханические свойства реализуются путем соответствующего подбора жгутов по ортогональным осям. Ортогонально-армированные УУКМ на основе углеродных жгутов или стержней обозначают дробями 1:1:1; 2:2:1; 2:2:2 и т .д ., в

которых цифры указывают число сложений жгутов в направлении осей X , У , I .

Изменяя число сложений жгутов по отдельным направлениям (осям армирования), можно управлять не только механическими свойствами, но и, например, плотностью каркаса, а значит, и плотностью готового УУКМ, я другими физическими свойствами.

Для механизированного изготовления трехмерно-армированных каркасов промышленностью освоены установки типа УТТМ-160. Од­ нако вследствие большой номенклатуры и небольших тиражей чаще всего каркасы изготовляют на специальных плетальных приспособ­ лениях вручную. Плотность каркасов задается на уровне 360 - 440 кг.м3. При большей плотности каркаса ухудшаются условия доступа углеродсодержащего реагента и качество композита.

Формирование армирующих систем на основе тканей. Простым и доступным способом получения трехмерно-армированных УУКМ яв­ ляется послойная выкладка пакета из тканей или ленты с последу­ ющей прошивкой по третьей координате. Дополнительное армирование тканей волокнами, отличающимися высокой прочностью или другими свойствами, позволяет значительно расширить область применения УУКМ на их основе. Этим способом можно изготовлять детали слож­ ной формы, часто без после­

щей способностью каркаса и изделия в целом. Для прошивки применя­ ют специально созданные или модернизированные швейные машины и полуавтоматы, позволяющие прошивать пакеты углеродной ткани тол­

щиной до 32 мм.

Технология изготовления армирующих каркасов объемным круго­ вым бесприбойным ткачеством. Для оболочечных крупногабаритных конструкций разработана технология и оборудование формирования трехмерной структуры в полярных координатах бесприбойным круговым

□О Ф ф ф ф ф / ны шпулярники. Через специ-

процесса формирования структуры бесприбойным круговым ткачеством. Средняя плотность каркаса, получаемая бесприбойным ткачеством, составляет 760 кг/м3. Метод бесприбойного ткачества обеспечивает возможность получения каркасов сложной формы. Толщина стенки тка­ ных оболочек определяется емкостью шпулярников, видом структуры и может изменяться в процессе тканеформирования.