Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов
Подождите немного. Документ загружается.
191
Рис. 61 - Классификация пространственных схем армирования по способу создания межслойных связей
Пространственные схемы армирования
Система двух нитей Система трех нитей Система n нитей Вискеризация волокон
Связь радом лежащих
слоев
Прошивка слоистой и
тканой структуры
Система четырех нитей
Связь между
отдельными слоями
Связь между
отдельными слоями с
прямолинейными
нитями в направлении х
Связь по всей толщине
материала
Система пяти нитей
Система шести нитей
Система семи нитей
Система одиннадцати
нитей
Хаотическое
распределение
нитевидных кристаллов
в одной плоскости
Хаотическое
распределение
нитевидных кристаллов
по всему объему
Ортогональное
расположение нитей
Косоугольное
расположение нитей
одного или двух
направлений
192
Рис. 62. Варианты схем армирования, образованных системой двух
нитей.
Соединение рядом лежащих слоев с волокнами направления у: в плоскости zх (а) и в
плоскости zу (б); по всей толщине структуры в плоскости zх (в) и в плоскости zу (г);
соединение через два слоя с использованием в направлении х прямых волокон (д) и через
слой и по всей толщине материала с использованием в направлении х прямых волокон (е);
ж — соединение через слой с переменной плотностью по толщине материала
Межслойные связи осуществляются переплетением волокон основы с
прямолинейными волокнами утка. Различия в характере образования связей
обусловлены способом соединения прямолинейных волокон утка как по
высоте пакета, так и по направлению оси х (
Рис. 62). Слои, лежащие рядом с волокнами направления у, могут
соединяться друг с другом (
Рис. 62, а, б) по всей высоте пакета слоев (рис. 1.2, в-д) и через два слоя
(
193
Рис. 62, е). Разрабатываются и более сложные схемы армирования ,
одна из них показана на
Рис. 62, ж. В направлении оси х наряду с искривленными волокнами
может быть уложена и прямолинейная арматура (
Рис. 62, е). Рассматриваемый принцип образования межслойных связей
позволяет также создавать материалы с переменными свойствами по
толщине (
Рис. 62, ж).
Материалы с переменной плотностью по толщине применяют в
конструкциях, нагружаемых перпендикулярно плоскости армирования . У
композиционных материалов, изготовленных по схеме
Рис. 62, ж, наружные слои обладают высокой прочностью и жесткостью
на изгиб и кручение, а внутренние — достаточным сопротивлением
межслойному сдвигу. При наличии волокон, искривленных только в
направлении х, изменение угла наклона приводит к улучшению одних
характеристик материала и ухудшению других. Комбинированная укладка
прямых и искривленных волокон в направлении x (см.
Рис. 62, д, е) позволяет регулировать характеристики материала за счет
их объемного соотношения.
На основе структурных схем, образованных системой двух нитей,
создана и экспериментально проверена группа композиционных материалов
толщиной от 1,5 до нескольких десятков миллиметров, используемых для
создания силовых и теплозащитных конструкций. Жесткость при сдвиге и
прочность этих материалов, как это будет показано в дальнейшем,
существенно выше жесткости и прочности слоистых и однонаправленных
материалов.
Использование композиционных материалов, образованных системой
двух нитей, для изготовления изделий методом намотки позволяет
значительно повысить их несущую способность при действии давления.
Исследования показывают, что при изготовлении кольцевых образцов с
внутренними слоями из пространственно-армированных материалов и
наружными из слоистых можно ограничиться относительной толщиной
RН/RB = 1,40, в то время как при использовании ленты тканого переплетения
RHIRB = 1,88, при намотке колец из однонаправленной ленты ЛСБ-F Rn/RB
= 2,15 при одинаковых внутреннем радиусе и давлении.
Система трех нитей. Композиционные материалы, образованные
системой трех нитей, содержат арматуру в трех направлениях выбранных
осей координат. Наиболее типичные схемы армирования приведены на рис.
64. Схемы, как правило, образованы взаимно ортогональными волокнами
(Рис. 63, а, б), но встречаются и с косоугольным расположением (Рис. 63, в, г).
Армирующие волокна могут быть прямолинейными (Рис. 63, а), иметь
заданную степень искривления волокон в одном (Рис. 63,в) или двух (Рис. 63,
г) направлениях. Содержание волокон и интервал между ними в каждом из
трех направлений являются основными параметрами композиционных
194
материалов, которые определяются условиями их применения.
Трехмерноармированные материалы могут быть созданы различными
способами: прошивкой пакета тканей или слоев шпона, а также на
специальных установках. Самым простым способом является прошивка
тканых или слоистых материалов. Существенным недостатком этого способа
является сильное повреждение волокон ткани или ровницы при прошивке.
Другие, более совершенные способы создания этих материалов, реализуются
на специальных установках по тщательно разработанной технологической
программе.
При использовании системы трех нитей ткань конструируют так, чтобы
вертикально идущие волокна были отдалены друг от друга на расстояние, не
превышающее диаметр горизонтально идущих волокон. Вследствие этого
возникает трение во всех точках пересечения волокон по всему объему
материала, что обеспечивает целостность ткани при удалении ее со станка.
Развитие технологии трехмерного
плетения позволило создать серию
многонаправленных армированных пластиков, для изготовления которых
пригодны любые непрерывные волокна, в том числе и углеродные.
Трехмерноармированные материалы практически могут быть любой
толщины; существуют блоки размерами 200200450 мм и цилиндры
диаметром 400 мм, длиной 900 мм и толщиной до 40 мм. Достигнутая
трансверсальная прочность при растяжении этих материалов составила 300
МПа, прочность при сдвиге из опытов на кручение — 90 МПа, что
превышает соответствующие характеристики однонаправленных и
ортогонально-армированных композиционных материалов. Применение
трехмерноармированных тканей для изготовления композиционных
материалов позволяет на порядок увеличить прочность на отрыв в
трансверсальном направлении и существенно повысить сопротивляемость
сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.
Существует ряд специальных схем плетения с поперечным усилением:
схемы интегрально тканых сотовых конструкций с прямоугольными (Рис. 64,
а) и треугольными (Рис. 64, б) ячейками. Подобные схемы армирования
используют при создании материалов для глубоководных аппаратов и сопл
ракет, высокопрочных при всестороннем сжатии оболочек и других
конструкций. Материалы с более сложными схемами армирования
применяют для несущих нагрузку тепловых экранов летательных аппаратов.
195
Рис. 63 - 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 искривления волокон в двух направлениях (г).
Рис. 64 - Структурные схемы пространственного армирования,
применяемые для изготовления интегральных конструкций
196
4.10.3. Система четырех нитей.
Система позволяет получать композиционные материалы с различными
вариантами пространственного расположения арматуры. Будем
рассматривать только вариант, известный под названием 4D, который
получил наиболее широкое распространение. Характерным признаком его
является расположение арматуры по четырем диагоналям куба ( Рис. 65).
Такая схема укладки при одинаковом содержании арматуры по направлениям
армирования позволяет получать равновесную структуру. Одна из больших
диагоналей куба является одновременно и высотой тетраэдра. Боковые ребра
тетраэдра совпадают с тремя ребрами куба, выходящими из одной вершины,
а основанием тетраэдра является сечение куба вдоль трех диагоналей
боковых граней. Ввиду симметрии структуры упругие свойства материала
также обладают элементами симметрии: одно из направлений армирования
является осью упругой симметрии третьего порядка. При повороте системы
координат, связанной одной осью с направлением волокон, на угол 120° в
плоскости основания тетраэдра все упругие свойства материала вследствие
симметрии сохраняются.
Рис. 65 - Четырехнаправленная схема
армирования и расположение системы
координат; х, у, z — главные оси; 1 —
направление армирования
Структура, образованная системой четырех нитей, перспективная в
целях повышения жесткости при сдвиге материала в главных плоскостях по
сравнению с жесткостью ортогональной трехнаправленной структуры.
Композиционные материалы 4D имеют максимальные значения модулей
сдвига в главных плоскостях кубической симметрии. Модули Юнга в
главных осях минимальны; максимальные значения - в направлениях
армирования - вдоль диагоналей куба. Создание этих материалов сложнее,
чем материалов, образованных системой трех нитей. Однако
технологические трудности преодолимы, что увеличивает перспективность
использования рассматриваемых материалов, особенно на основе углеродной
матрицы. Последние. вследствие удачных термомеханических свойств
широко используют для некоторых узлов ракетных двигателей (например,
входная часть горловины сопла), подвергающихся сильным воздействиям
при пуске двигателя. Эти материалы применяют также для носовых частей
ракет.
197
4.10.4. Система п нитей.
Композиционные материалы, образованные системой множества нитей,
содержат арматуру; уложенную в различных направлениях, чаще всего — в
трех взаимно ортогональных направлениях выбранных осей координат и в
диагональных плоскостях, содержащих координатные оси (Рис. 66). Имеются
и более сложные схемы армирования (Рис. 67). материалов с подобными
схемами армирования — весьма трудоемкий процесс, содержащий
технологические трудности, связанные с созданием каркаса и его пропиткой.
Целесообразность изготовления рассматриваемой группы композиционных
материалов пока не достаточно обоснована.
Рис. 66 - Схемы диагонального расположения арматуры в
одной плоскости (а) и в пространстве (б) для композиционных
материалов, образованных системой n нитей.
Рис. 67 - Одиннадцатинаправленная (11 D) схема
армирования; диагонали между вершинами, по двум граням и
вдоль ребер
Геометрия пространственного армирования создается исходя из
условий нагружения материала и должна обеспечивать целенаправленную
анизотропию свойств. Увеличение числа на правлений армирования
способствует снижению анизотропии свойств, общего коэффициента
армирования, а следовательно, и 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 (Рис. 68). Для других видов
симметрии характерно наличие определенных экстремальных значений
физических свойств. При ортогональном армировании в направлениях 2 и 3,
соответствующем ортотропии или кубической симметрии свойств, модули
сдвига G0 в главных плоскостях упругой симметрии двух- и трех-
направленных материалов минимальны и различаются незначительно.
Максимальные их значения соответствуют плоскостям, наклоненным под
углом 45 к главным осям. При косоугольном армировании по диагоналям
куба модуль сдвига G0 в главных плоскостях существенно превышает G013
материала, ортогонально армированного в трех направлениях.
198
Рис. 68 - Схема расположения арматуры в изотропных
композиционных материалах
Расчеты показывают, что упругие свойства пространственно-
армированных композиционных материалов, образованных системой п
нитей, уступают свойствам материалов на основе системы трех и четырех
нитей.
4.10.5. Вискеризация волокон.
Вискеризация — выращивание (закрепление) нитевидных кристаллов
(вискеров) на поверхности армирующих волокон. Особую группу
представляют композиционные материалы, межслойные связи в которых
создаются за счет нитевидных кристаллов, выращенных на поверхности
волокон или введенных в полимерную матрицу между волокнами. Для этой
группы материалов наиболее типичны две схемы армирования: с
хаотическим расположением нитевидных кристаллов в одной плоскости
(Рис. 69, а) и во всем объеме (Рис. 69, б). Известно несколько способов
вискеризации, определяющих расположение нитевидных кристаллов в
матрице. В зависимости от типа связи между волокном и нитевидным
кристаллом все способы разделяются на две группы. К первой группе
относятся способы вискеризации, при которых связь между волокнами и
нитевидными кристаллами осуществляется самим связующим.
Рис. 69 - Типичные структурные схемы армирования, образованные
вискеризованными волокнами
Для этих способов характерно хаотическое распределение кристаллов.
Ко второй группе относятся способы, при которых связи образуются
выращиванием нитевидных кристаллов на самих волокнах, ориентированных
преимущественно нормально поверхности.
z
y
x
199
Нитевидные кристаллы имеют весьма короткие волокна, при этом
соотношения длины и диаметра достаточно высоки. Это очень важно при
использовании нитевидных кристаллов («усов») в качестве армирующего
материала. «Усы» обладают высокой удельной прочностью и жесткостью. Их
можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения
прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса
армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является
неприемлемость для них обычной технологии изготовления.
Вискеризованные материалы требуют создания новой технологии в целях
использования всех в потенциальных возможностей вискеризации.
Технология переработки материалов с вискеризированными волокнами
изложена в работе.
Контрольные вопросы:
1. Приведите классификацию пространственно-армированных
композиционных материалов.
2. Какие свойства характерны для материалов, образованных системой
двух нитей?
3. Какие свойства характерны для материалов, образованных системой
трех нитей?
4. Какие свойства характерны для материалов, образованных системой
четырех нитей?
5. Какие свойства характерны для материалов, образованных системой n
нитей
?
6. Что такое вискеризация волокон?
Лекция23. Предельные коэффициенты армирования и их расчет
4.10.6 Предельные коэффициенты армирования и
их расчет
Для выявления структурных преимуществ и недостатков
пространственно-армированных композиционных материалов необходимо
определение их предельных коэффициентов армирования, так как этот
параметр является одним из основных при оценке свойств композитов.
С целью определения значений коэффициентов армирования были
исследованы возможности предельного наполнения пространственно-
армированных структур волокнами круглого поперечного сечения с
прямолинейной и искривленной осью. В основном исследовали плотную
упаковку волокон — при касании их цилиндрических поверхностей — в
одной плоскости, перпендикулярно к которой. вводили волокна,
«скрепляющие» слои. Многонаправленное армирование в плоскости было
создано прямолинейными и искривленными волокнами. При этом
200
рассматривали расположение прямолинейных волокон, ортогональных к
плоскости, в узлах прямоугольной и гексагональной решетки. Диаметры
волокон в общем случае полагали различными.
Теоретически предельно допустимые значения коэффициентов
армирования для некоторых типов структур приведены в Таблица 11.
Параметром (%) обозначена доля прямолинейных волокон, ортогональных
плоскости укладки в общем объеме всей арматуры. Число направлений
армирования для случая искривления волокон в плоскости условно принято
равным трем (два направления в плоскости и одно ортогонально плоскости).
Как видно из анализа схем армирования только прямолинейными
волокнами, 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 по сравнению со
слоистой структурой на 25 %. Для последней при любом числе направлений
армирования характерно неизменное значение предельного коэффициента
армирования
пр
= 0,785, равное коэффициенту однонаправленного
материала с прямоугольной схемой укладки волокон.
При четырех направлениях армирования, из которых три создают
изотропию свойств в плоскости (Таблица 11, схема 5),
пр
снижается по
сравнению с коэффициентом армирования по гексагональной
однонаправленной схеме 1 на 38 %. В схеме 5 вследствие косоугольной
укладки волокон в плоскости при касании их с волокнами ортогонального к
плоскости направления имеется больше свободных вакансий для заполнения
связующим, чем в случае трех ортогональных направлений армирования
(схема 4). В случае пространственного косоугольного армирования волокна
укладываются по четырем направлениям (схема 6) параллельно каждой из
двух ортогональных плоскостей с наклоном к третьей плоскости под углом
±. Преимущество этой схемы состоит в эффективном управлении с
помощью угла упругими свойствами материала во всех направлениях. Так,
при = 35,26° получается материал с кубической симметрией упругих
свойств; такая схема армирования эквивалентна схеме укладки волокон
вдоль четырех больших диагоналей куба. При этом угле
пр
при касании
волокон всех четырех семейств становится на 22 % больше, чем
пр
гексагональной укладки в плоскости четырехнаправленной структуры (схема
5). В предельном случае пространственного косоугольного армирования в
четырех направлениях, когда /2, коэффициент
np
может составить
лишь 50 % от максимального его значения для слоистой структуры
композиционного материала. Необходимо отметить, что повышение
значения
пр
для такого косоугольноармированного материала (кроме случая
= 35,26°) достигается за счет введения дополнительной арматуры в пятом
направлении. Волокна пятого направления при 35,26° пронизывают
материал за счет «колодцев», создавшихся между волокнами с угловым
наклоном ± (схема 7). При этом
пр
существенно увеличивается и может