книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

Каркасы такой структуры просты в изготовлении и имеют достаточную прочность и жесткость в направлении армирования. Армирование тремя выпрямленными нитями устраняет трансвер­ сальную слабость материала, улуч­ шает сдвиговую прочность. Основ­ ными параметрами структуры кар­ касных материалов <КМ) являются межцентровое расстояние между волокнами армирования (МРМВА)

и число сложений жгутов. Требуе­ мые механические свойства КМ реализуются путем соответствую­ щего подбора жгутов по ортого­ нальным осям (X = d{l2; Y =

Z = /JA2), как это показано на

териал, армирующий каркас которого имеет размер ячейки по осям X,Y,Z ЗхЗх 1,5 мм соответственно [20]. Укладка выполнена по схеме 2 : 2 2, т. е. в два сложения по всем осям армирования. По сравнению с двухнаправленным армированием при ортогональном трехмерно-направленном армировании уда­ лось повысить физико-механические свойства: плотность 1670—

1750 кг/м3, прочность на сжатие по направлениям X, У 190,0—210,0 МПа.

Недостатком базового материала является слабо регулируемая микро- и макропористость (до 17 %), что снижает стабильность свойств. Задачу создания структуры с регулируемой микро- и макропористостью достаточно хорошо решили применением мел­ коячеистого каркаса. Отличие его в том, что структура каркаса по направлениям X , У выполнена жгутом в одно сложение по схеме 1 1 2. Выполнение каркаса по направлениям Х> У в одну нить позволило уменьшить размеры каждой ячейки в плоскостях XZ и y z и тем самым уменьшить объем пустоты. За счет изменения схемы укладки волокон в каркасе удалось

сущесвенно повысить плотность материала (до 1850 км/м3). Но все же в этом материале имеет место остаточная закрытая пористость (дефект плотности). Объясняется это тем, что по­ ристость здесь образована кубическими объемами, изолирован­ ными друг от друга. При уплотнении ПУ они не заполняются полностью, так как проникновение газа в них затруднено и

происходит только благодаря диффузии его сквозь микропоры материала каркаса, т. е. через свободное пространство между филаментами. Этот недостаток в значительной мере может быть устранен, если структуру каркаса выполнить с пропуском через нить в шахматном порядке минимум в двух направлениях (рис.

2.6). Такое исполнение каркаса облегчает доступ углеродосодер­ жащего газа внутрь объема благодаря отсутствию изолированных полостей. Выполнение структуры каркаса с пропуском через нить в одном из направлений не приводит к существенному снижению закрытой пористости из-за недостаточной площади сечения транспортных каналов, в которые может поступать газ-реагент.

Недостатком ортогонально-армированных УУКМ является на­ личие разрушений при эксплуатации в виде локальных выносов нитей направления X, Y, которые находятся в контакте с трущейся поверхностью, например, в случае торцевых уплот­ нений или в виде локальных вымывов материала в высоконапор­ ном канале вдоль нитей направления Z, которые выходят на поверхность канала параллельно направлению потока.

Для повышения работоспособности материала и устранения локальных вымывов углеродные нити по направлению располага­ ют под углом 10—35° к вертикали к плоскости X Y (рис. 2.7). Такая структура приводит к уменьшению протяженности участ­ ков выхода углеродных нитей на рабочую поверхность и укладке нитей под углом к этой поверхности.

2.4.Многонаправленные схемы армирования

Вматериалах с ортогональным армированием при пересе­ чении трех взаимно перпендикулярных рядов углеродных волокон образуются полости, сообщающиеся друг с другом через каналы (см. рис. 2.2.), имеющие меньшие размеры, чем сами полости (внутриячеистые пустоты). По этой причине при формировании

Рис. 2.8. Структура УУКМ52) Рис. 2.9. Фрагмент ортогональной структуры

матрицы из пиролитического углерода они зарастают быстрее, чем внутриячеистые пустоты. В результате образуется закрытая пористость. Ее величина по данным ртутной порометрии состав­ ляет до 16 % объема. Другим «недостатком ортогональноармированных УУКМ является сильно выраженная анизотропия свойств. Добиться более рационального соотношения минималь­ ных размеров полости и каналов сообщения и устранить анизотропию свойств можно путем изменения структуры арми­ рования. Это достигается, например, тем, что в полости X Y прокладывают под углом 45° к оси X два дополнительных ряда волокон (рис. 2.8). При этом объемные доли дополнительных рядов углеродных волокон в 1,5—9,4 раза меньше объемных дол"ей рядов углеродных волокон, расположенных по осям X и Y.

Снабжение армирующей системы дополнительными рядами углеродных волокон, расположенных под углом 45° к осям X и У в плоскости XY, и поворот каждого ряда углеродных волокон относительно предыдущего вокруг оси Z на угол, равный 45°, позволяет увеличить размер каналов, посредством которых внутриячеистые пустоты каркаса сообщаются друг с другом (рис. 2.9). Указанное расположение дополнительных рядов позво­

женных по окружности через угол у радиальных плоскостях 2, слои уточных нитей 1, уложенные в плоскости, перпендикуляр­ ной к оси изделия, и соединяющие наружную 4 и внутреннюю 5 поверхности изделия; дополнительные слои уточных нитей 6, смещенные на величину у/2, кратную угловому шагу радиальных плоскостей и размещенные между наружной поверхностью 4 и условной цилиндрической поверхностью 7.

Как один из вариантов траектория укладки нити в плоскости XY может соответствовать логарифмической спирали. Схема расчета такой структуры представлена на рис. 2.12. Для расчета используем уравнение логарифмической спирали

Полное число шагов (стержней в оснастке, которые фик­

при нечетном варианте.

В формулах (2.6) и (2.7) /0—шаг между стержнями на

внутреннем диаметре.

Аппроксимируем полученную кривую ломаной линией. Число

Радиусы промежуточных окружностей определим, используя свойства логарифмической спирали, согласно которым функция изменяется по закону геометрической прогрессии: '

Используя приведенные зависимости, можно получить в зависимости от требований к изменению свойств материала по радиусу различные структуры.

В структурах со звездной укладкой арматуры заданный уровень свойств материала в направлении оси Z осуществляется регулированием объемного содержания волокна.

Если толщина стенок детали невелика (сравнима с толщиной армирующей нити), то армирование лучше всего проводить непосредственно по направлениям главных напряжений oz, az,

<?£, возникающих при работе конструкции.

При увеличении толщины стенок армирование материала системой трех непрерывных нитей приводит к существенной неоднородности степени армирования, а следовательно, и физико­ механических свойств материала в плоскости R&. Этот недоста­ ток устраняется при звездной укладке с введением в схему армирования радиальных элементов разной длины.

В случае схемы армирования со звездной укладкой арми­ рующий материал укладывается в плоскости RO с изменяемым углом к осям, но таким образом, что угол между пересека­ ющимися нитями остается примерно одинаковым по всей толщи­ не заготовки.

Для большего класса изделий представляет интерес трехмер­ ное ортогональное армирование материала в полярных коорди­ натах. В этом случае армирующую систему получают бесприбойным круговым ткачеством. Процесс формирования кар­ каса заключается в следующем: множество нитей основы, размещенных на катушках шпулярников, огибают направляющие стальные прутки, проходят через глазки делительных решеток шпулярника, пробираются в зубья распределительного бердо или в глазки распределительной решетки, пробираются в определен­

ном порядке в глазки лиц и закрепляются в зубьях заправочных гребенок технологической оправки. Таким образом все нити основы сходятся к центру машины равномерно распределенным пучком.

Из этих нитей при помощи жаккардовых машин посредством гибких связей и аркатных шнуров образуется зев, в который с помощью челноков, двигающихся по круговой концентрической траектории вокруг технологической оправки с определенным натяжением, прокладывается уточная нить.

Величина напряжения, а также соотношение натяжений утка и суммарного натяжения нитей основы, расположенных в зоне тканеформирования, являются основными определяющими ус­ ловиями обеспечения процесса формирования структуры бесприбойным методом. Ее величина определяется соотношением

Гу над 2?0; 2*0—суммарное усилие натяжения нитей основы в

зоне тканеформирования.

Управление положением нитей основы в процессе ткане­ формирования выше или ниже плоскости заступа обеспечивается программными устройствами жаккардовых машин, которые опре­ деляют структуру, профиль и контур формируемого изделия. Сформированная структура отводится из зоны формирования вдоль вертикальной оси механизмом перемещения оправки.

В качестве основной структуры для получения каркасов по этому методу используется близкая к ортогональной (квазиортогональная) трехнаправленная структура 3D, приведенная на рис. 2.13. В системе слои параллельно уложенной основы всегда ориентированы в направлении образующей детали, уток—в

физико-механические свойства материала на основе тканевых каркасов при одном и том же наполнителе сильно влияет соотношение в объеме основной, уточной и перевязочной нитей. Это соотношение каждый раз подбирают расчетом, исходя из величины и направления действующих нагрузок.

□□

СГГГГГГГ-'

Рис. 2.14. Тканая структура 3DH Рис. 2.15. Тканая структура 3DP

Наряду с квазиортогональной структурой 3 D этим способом

вы.

Метод бесприбойного ткаче­ ства обеспечивает возможность получения каркасов сложной ге­

ометрической формы. Толщина стенки тканых оболочек опреде­ ляется емкостью шпулярников, видом применяемых структур и может управляться в процессе тканеформирования.

2.6.Формирование армирующих систем на основе тканей

Простым и доступным способом получения объемно арми­ рованных наполнителей является послойная выкладка заготовок из ткани или ленты с последующей прошивкой по третьей координате (рис. 2.17). Дополнитель­ ное армирование тканей волокнами, отличающимися высокой прочностью или другими специальными свойст­ вами, позволяет значительно расши­ рить область применения УУКМ на их основе. Важным преимуществом применения тканей является возмож-

Рис. 2.17. Прошивной тканевый ность изготовления деталей сложной пакет формы, часто без последующей ме­

ханической обработки.

Г Л А В А 3

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНОЙ МАТРИЦЫ

3.1.Углеродные матрицы

Роль углеродной матрицы в армированном композите заклю­ чается в придании изделию необходимой формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица позволяет композиции воспринимать раз­ личного рода внешние нагрузки: растяжение (как в направлении армирования, так и перпендикулярно к нему), сжатие, изгиб, сдвиг и кручение. В то же время матрица принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна.

В современных УУКМ в качестве матрицы используют различные модификации углерода: а) кокс, полученный в резуль­ тате высокотемпературного отжига отвержденных термореак­ тивных смол [82]; б) пиролитический углерод—продукт разло­ жения углеродосодержащих соединений на горячих поверхностях [92]; в) комбинацию кокса с пироуглеродом; г) углерод, модифицированный карбидо- и нитридообразующими элементами.

Исходные органические материалы, используемые для фор­ мирования углеродной матрицы, должны удовлетворять следу­ ющим требованиям: высокого выхода углерода, низкого давления паров в процессе карбонизации, воспроизводимости свойств, типу каркаса материала. При этом к числу факторов, характеризу­ ющих структуру армирующего каркаса, относят

а) размер и форму каркаса; б) тип (типы) нити, в частности, характеристики смачивания

и сцепления, температуру изготовления нити в сравнении с предусмотренной температурой обработки углерод-углеродного композита;

в) геометрию и схему переплетения нитей, определяющие размеры пор, распределение пор и связующих их проходов;

г) объемное содержание волокон в заготовке; д) тип заготовки (сотканный сухой каркас или предваритель­

но пропитанный и частично отвержденный полуфабрикат).