Файл: УП Наполнители.doc

Схемы армирования, как правило, образованны взаимно ортогональными волокнами (рисунок 17.14, а,б), однако встречаются схемы с косоугольным располо­жением волокон (рисунок 17.14, в,г). Армирующие волокна могут быть прямолиней­ными (рисунок 17.14, а), иметь заданную степень искривления волокон в одном (рисунок 17.14,в) или двух (рисунок 17.14, г) направлениях.Количество волокон и интервал между ними в каждом из трех направлений яв­ляются основными параметрами композиционных материалов, которые опре­деляются условиями их применения [5].

Рисунок 17.14 - Варианты схем армирования, образованных системой трех нитей

с прямолинейными волокнами в трех направлениях (а, б),

с прямолинейными волокнами в двух направлениях (в),

с заданной степенью направления волокон в двух направле­ниях (е) [5].

Система четырех нитей позволяет получать композиционные материалы с разными вариантами пространственного расположения арматуры. Наибольшее распространение получил вариант 4d. Характерным признаком его является расположение арматуры по четырем диагоналям куба. Такая схема укладки при одинаковом распределении арматуры по направлениям армирования позволя­ет получать равновесную структуру.

Армирование композиционных материалов, образованных системой множества нитей, осуществляется в различных направлениях, чаще всего в трех взаимно перпендикулярных направлениях выбранных осей координат и в диагональных плоскостях, содержащих координатные оси. Возможны и более сложные схемы армирования (рисунок 17.15). Геометрия пространственного армирования создается исходя из условий разрушения материала и должна обеспечить целенаправленную анизотропию свойств. Увеличение количества направлений армирования способствует снижению анизотропии свойств, об­щего коэффициента армирования, а следовательно, абсолютных значений ха­рактеристик материала. Материалы с полной изотропией упругих свойств по­лучаются при укладке арматуры под углом 31° 43 к осям декартовой системы координат в каждой из трех ортогональных плоскостей. Для других симметрии характерно наличие определенных экстремальных значений физических свойств.

Рисунок 17.15 - Схема диагонального расположения структуры в одной плоскости (а) и в пространстве (б) для композиционных материалов, обра­зованных системойnнитей; одиннадцатинаправленная (11d) схема армирования (в), диагонали между диаметральными вершинами по двум граням и вдоль ребер [5].

Для рационального использования армированных композиционных мате­риалов необходимо знать их предельные коэффициенты армирования. В работе [15] были исследованы возможности предельного наполнения пространственно-армированных структур волокнами круглого поперечного сечения. В основном исследовали плотную упаковку волокон - при касании их цилиндрических по­верхностей - в одной плоскости, перпендикулярно к которой вводили волокна, "скрепляющие" слои. В таблице 17.14 приведены теоретически предельно допусти­мые значения коэффициентов армирования для некоторых типов структур в случае, когда многонаправленное армирование в плоскости было создано пря­молинейными волокнами. Параметром  (%), обозначена доля прямолинейных волокон, ортогональных плоскости укладки в общем объеме арматуры.

Таблица 17.14 - Предельные коэффициенты армирования для некото­рых типов структур [5].

Как видно из данных таблицы 17.14 отклонение направлений укладки волокон от однонаправленной и плоской схемы существенно снижает объемный коэф­фициент армирования материала. При трех взаимно ортогональных направле­ниях укладки волокон предельный коэффициент армирования _пр. снижается на 25 % по сравнению с коэффициентом при сплошной структуре. При четырех направлениях армирования, из которых три создают изотропию свойств в плос­кости (таблица 17.14, п.5), _пр коэффициент армирования снижается по сравнению с коэффициентом армирования по гексагональной однонаправленной схеме (таблица 17.14, п.1) на 38 %. В схеме 5, вследствие косоугольной укладки волокон в плоскости при касании их с волокнами ортогонального к плоскости направле­ния имеется больше вакансий для заполнения матрицей, чем в случае трех ор­тогональных направлений армирования (таблица 17.14, п.4) [5].

Следует отметить, что идеализированные схемы предельного наполнения композиционного материала волокнами следует рассматривать лишь для сравнения. В реальных случаях в силу технологических или других условий из­меняются расстояния между соседними волокнами, при этом необходимо вво­дить поправочные к _пр коэффициенты, отражающие при идеализации геомет­рии структуры степень рассредоточения волокон.

Реальный объем волокон в каркасе всегда значительно ниже расчетного. Это обусловлено тем, что нити не имеют правильной формы поперечного се­чения, принятой при расчете, и элементарные волокна не монолитны.

Методы изготовления армирующих каркасов углерод-углеродных компо­зиционных материалов различны, среди них ткачество сухих нитей, прошивка тканей, сборка жестких стержней, изготовленных из углеродных нитей методом пултрузии, намотка нитью, плетение, а также комбинация этих методов. Наи­большее распространение получил метод ткачества (плетения) сухих нитей. Он приемлем для изготовления как самых простых из многонаправленных кар­касов, в которых волокна расположены по осям прямоугольной системы коор­динат (ЗД), так и наиболее сложных многонаправленных - 11 Д (см. рисунок 17.15, в). При этом используют нити малого диаметра с плотной их укладкой (рисунок 17.16), что обеспечивает получение малых пустот и высокой плотности каркаса.

Метод ткачества сухих нитей применим и для создания каркасов цилинд­рической формы. Тканые каркасы этого типа показаны на рисунке 17.17. Обеспече­ние постоянной плотности армирования цилиндрических каркасов с увеличени­ем расхождения радиальных нитей при приближении к наружному диаметру достигается за счет увеличения диаметра осевых пучков нитей или введения в основную систему армирования радиальных элементов разной длины. Изготовление таких каркасов ведется на ткацких станках. Возможно создание и более сложных структур [5].

Рисунок 17.16 - Типичная схема укладки волокон малого диаметра в ортогонально армированном материале с целью получения высокой плотности каркаса [5].

Рисунок 17.17 - Расположение нитей в трехнаправленном цилиндрическом

пере­плетении [5].

Разработка способов получения ортогонально-армированных каркасов позволила создать модифицированную структуру, названную Мод 3 [14]. Мо­дификация заключалась в следующем: в плоскости ху вместо прямолинейных нитей используется углеродная ткань, волокна в направлении оси z остаются прямолинейными и проходят через слои ткани между волокнами в плоскости ху. При прошивке ткани в направлении оси х используются как сухие нити, так и углеродные стержни, полученные пропиткой нитей либо органическим связую­щим с последующей карбонизацией, либо пироуглеродом из газовой фазы. Тип и распределение волокон в каркасах такой структуры могут варьироваться во всех направлениях.

Многонаправленные каркасы получают и из одних углеродных стержней. Недостатком таких каркасов является отсутствие целостности до введения связывающей стержни матрицы; преимущество заключается в высокой степе­ни заполнения объема материала арматурой.

Литература:

1. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. – М.: Химия, 1974. – 376 с.

2. Углеродные волокна. Пер. с японск. / Под ред. С. Симамуры. - М.: Мир, 1987. - 304 с.

3. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн.: Кн.1. Пер с англ. / Под ред. Дж. Любина. - М.: Машиностроение, 1988, - 448 с.

4. Углеродные волокна и углекомпозиты. Пер. с англ. / Под ред. Э. Фитцера. - М.: Мир, 1988. - 336 с.

5. Углерод - углеродные композиционные материалы: Справ. изд. / Бушуев Ю.Г., Персин М.И., Соколов В.А. - М.: Металлургия, 1994. - 128 с.

6. Goodnew P.J., Clark A.J., Baily J.E. // Mater. Sci. a. Eng, 1975. - V. 17. - P. 3-30.

7. Варшавский В.Я. // Химия и технология высокомолекулярных соединений, 1976. - Т. 8. - С. 67 – 120.

8. Фиалков А.Е. и др. // Химия твердого топлива, 1968. - № 6. - С. 191 - 194.

9. Okado T., Sekinguchi A., Tshii T. // 5^th Carbon conference, 1961. - P. 497.

10. Армирующие химические волокна для композиционных материалов. / Под ред. акад. Г.И. Кудрявцева. - М.: Химия, 1992. – 236 с.

11. Le - Maistre C.W., Diefendorf R.J., // Polimer prepr, 1973. - V. 14. - P. 105.

12. Пластики конструкционного назначения (реактопласты). / Под ред. Е.Б. Тростянской. - М.: Химия, 1974. - 304 с.

13. Армированные пластики: Справ. пособие. / Бунаков В.А., Головкин Г.С., и др. - М.: МАИ, 1997. - 402 с.

14. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В. Васильева и Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

15. Крегерс А.Ф., Зилауц А.Ф. Предельные значения коэффициентов армирования волокнистых композитов с пространственной структурой // Механика композитных материалов, 1984. - № 5. - С. 784 - 790.

18 Арамидные волокна

Среди различных видов химических волокон в последнее время широкое распространение получили ароматические амидные волокна и нити. Эти волокна обладают значительно более высокими механическими и термическими свойствами по сравнению с традиционными видами волокон и нитей на основе других органических полимеров. Ароматические полиамиды позволили решить проблему получения высокопрочных, высокомодульных, теплостойких, огнестойких волокон. Разработан большой ассортимент волокон из полиарамидов как за рубежом (Кевлар, Кевлар 29, Кевлар 49, Кевлар 149, Кевлар НМ, НТ, Нр, Т 981, Т 969, Nomex, Тварон, Тварон НМ, Д 1000, 1001, 1050, 1055, 1056, Технора (НМ-50), Аренка 900, 930 и другие), так и в России (СВМ, Армос, Терлон СД, С, СБК, ВМН-88, Фенилон, Русар). Их свойства примерно идентичны. На основе таких волокон были созданы различные композиционные материалы, которые стали успешно применять для изготовления конструкционных деталей самолетов и ракет и множества других изделий. Так, волокна Терлон широко используют для замены металлокорда в автомобильных шинах; для изготовления: резинотехнических изделий (транспортерных лент, клиновых ремней), оплеток оптических кабелей, канатов, тросов, пуленепробиваемых жилетов, спецодежды металлургов и сварщиков, теплозащитных перчаток, безасбестовых прокладок и др. Волокна Русар используются в средствах баллистической защиты – как в виде мягкой, так и жесткой брони, для изготовления сосудов для хранения сжатого водорода и кислорода, подшипников скольжения и др.