книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

длину полотна 50 мм. Одним из основных показателей тканей, определяющих прочностные характеристики УУКМ, является разрывная нагрузка. Однако в производственных условиях при отборе ткани следует иметь в виду, что разрывная нагрузка колеблется в широких пределах в зависимости от места отбора пробы по длине ткани в рулоне. Испытание углеродных тканей с содержанием углерода более 99,5 % показали, что эти коле­ бания значительны. Например, разрывная нагрузка полоски ткани шириной 5 см в начале полосы 177 кгс, в середине— 158 кгс, а в конце—214 кгс, удлинение этой же ткани 3,30; 2,85; 3,25 %, соответственно.

Исходным сырьем для выработки углеродных тканей является вискоза полиакрилонитрил. Переработка УВН в текстильные материалы затруднена, поэтому ПАН-волокно предварительно окисляют под натяжением и перерабатывают на обычном обору­ довании, придавая ему требуемую форму. Поскольку ПАН-волок- но окисляют под натяжением, текстильные углеродные материалы имеют высокие механические свойства. Добиться таких же результатов при обработке тканей сложно из-за усадки при окислении и карбонизации.

В производстве изделий различного назначения из УУКМ применяют ткани Урал-Т, Урал-2Т, Урал-ТМ/4, ТМП-4, ТГН-2М, УТ-900 и другие марки. Для повышения адгезии к связующему материал может подвергаться электрохимической обработке (ЭХО). В табл. 1.4 приведены физико-механические характеристики тканей УРАЛ-ТМ/4 и УТ-800.

Оболочечные конструкции изготовляют намоткой лент ЛН-13, ЛН-35 на намоточных станках. Ленты ЛН получают ткачеством из нитроновых жгутов. Как правило, намотка производится лентой, предварительно пропитанной связующим, но может быть реализована и «сухая» технология, т. е. намотку каркаса про­ изводят сухой лентой с последующим уплотнением ПУ. Однако вследствие низкой межслоевой прочности УУКМ эта технология распространения не получила. Особое место занимают кордные ленты из углеродных волокон шириной до 400 мм и толщиной 0,1—0,3 мм, в которых прочные нити основы связаны малопроч­ ным утком.

1.4.Подготовка углеродных материалов к переработке

При изготовлении армирующих каркасов из волокнистых углеродных наполнителей в зависимости от вида наполнителя, способа переработки в каркас, применяемого оборудования техно­ логией во многих случаях предусматриваются такие подго­ товительные операции, как трощение, крутка, шлихтование, перемотка. Они оказывают существенное влияние на меха­ нические свойства каркаса и композита в целом.

Трощение. Основными параметрами трощения (соединения нитей в прядь) являются шаг намотки, угол намотки и линейная скорость. Если шаг намотки постоянен, то с увеличением диаметра намотки угол намотки уменьшается. Учитывая, что при малых углах намотки на торцах нити могут сваливаться, а бобина получается неустойчивой, необходимо выбрать такой первоначальный угол намотки, чтобы конечный угол намотки был не очень мал. При этом необходимо учитывать вид нарабатываемого материала, так как наименьший допустимый угол намотки нити зависит от коэффициента трения.

Трощение низкомодульных нитей типа Урал-Н производят на

В табл. 1.5 приведена зависимость прочности углеродных нитей от числа круток.

Т а б л и ц а 1.5 Зависимость прочностных свойств углеродных нитей от числа круток [20]

Различают правое и левое направления крутки, исходя из того, в какую сторону вращаются веретена, если на них смотреть сверху. При вращении по часовой стрелке направление крутки правое, при вращении против часовой стрелки—левое. Скручен­ ные нити стремятся к раскручиванию вследствие действия сил, вызываемых упругой деформацией. Если нить натянута, этого не произойдет. В противном случае образуются сокрутины. При­ дание равномерности крученым нитям достигается соединением и кручением двух предварительно скрученных нитей. Вторая крут­ ка имеет направление, обратное первой.

Шлихтование. Существующие углеродные нити не обладают достаточной стойкостью к многократным переменным нагрузкам и истирающим воздействиям, что затрудняет их механизирован­ ную переработку в изделия.

Одним из способов защиты УВН от механических повреж­ дений является шлихтование, однако вопросы выбора состава шлихты и режимов шлихтования мало изучены. Состав шлихты и технологические режимы нанесения покрытия подбирают экспериментально с учетом назначения нити и условий перера­ ботки в изделие. При подготовке нитей Урал-Н и УКН-5000 для придания им необходимых текстильных свойств применяют для покрытия раствор полиуретана СКУ-ПФЛ в ацетоне и поли­ виниловый спирт (ПВС) с глицерином. В табл. 1.6 приведены

основные физико-механические характеристики нитей УКН-5000 и Урал-Н в исходном состоянии и после шлихтования.

рекомендованы составы полиуретана: для нити Урал-Н 3 %-ный раствор полиуретана в ацетоне; для нити УКН-5000 2,5 %-ный для утка и 5 %-ный для основы.

Углеродные нити покрываются составом в специальной уста­ новке. В ней углеродные нити из отдающего шпулярника проходят через пропиточную ванну с раствором, камеру пред­ варительной сушки и поступают на катушки приемного шпу­ лярника. Теплоноситель—воздух, подаваемый вентилятором через калорифер.

Перемотка. Основной целью перемотки является наработка паковки, обеспечивающей проведение последующей технологиче­ ской операции с наибольшей производительностью.

В процессе перемотки нить подвергается воздействию раз­ личных сил, из которых главными являются переменные силы натяжения и силы трения. В результате воздействия растягива­ ющих сил нить вытягивается, общая деформация нити несколько снижается.

Большое влияние на изменение физико-механических свойств оказывает натяжение -нити при перематывании. Чем больше

натяжение, тем больше снижаются прочность и удлинение при разрыве. Поэтому натяжение должно составлять 4—8 % проч­ ности перематываемой нити. Чем выше скорость перематывания, тем меньше должно быть предварительное натяжение, так как с повышением скорости перематывания натяжение нити увеличива­ ется.

При сильном воздействии сил трения, возникающих при перематывании нитей, от поверхности нити могут отделяться волокна, нить может оборваться. Особенно важно, чтобы нитетракт при перематывании имел минимальное число перегибов нитей.

АРМИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

2.1.Принципы конструирования армирующих систем

Структура армирующей системы является одним из основных факторов, определяющих свойства углерод-углеродных компо­ зиционных материалов (УУКМ). Ориентация армирующих эле­ ментов используется для получения композита с требуемыми механическими характеристиками в заданных направлениях.

Структурные схемы армирующих систем должны удовлетво­ рять трем основным требованиям:

1)учитывать напрвления максимальных действующих нагру­ зок и условия работы материала в конструкции;

2)обеспечивать свободный доступ углеродсодержащего реа­ гента в любую точку объема при формировании матрицы;

3)допускать возможность механизированного изготовления. Создание УУКМ со стабильными заданными свойствами

привело к необходимости изучения влияния различных факторов на их свойства. Существенной является комплексная харак­ теристика армирующей системы или каркаса [19]. Определя­ ющими параметрами каркаса выступают объемное содержание наполнителя, геометрия расположения волокна (схема арми­ рования) и распределение волокон по направлениям арми­ рования. Эти характеристики определяют степень анизотропии свойств сопротивления сдвигу, сжатию и растяжению.

Кроме вида каркаса, на свойства получаемых материалов влияют размер элементарной ячейки каркаса и размер заготовки в поперечном сечении. Изменение размера ячейки и связанное с этим изменение плотности каркаса сложным образом влияет на процесс формирования пироуглеродной матрицы при термо­ градиентном методе, так как меняется структура каналов, по которым в зону реакции транспортируется углеродсодержащий газ.

Известно [59, 60], что свойства УУКМ существенно зависят от плотности материала. Отмечается, что увеличение плотности приводит к уменьшению потери массы при работе материала в окислительной среде и к росту физико-механических харак­ теристик (рис. 2.1). На величину плотности УУКМ влияет объем

закрытой пористости в материале. Объем закрытой пористости слагается из двух составляющих: макропор, обусловленных особенностью структуры армирующего каркаса, и микропор, возникающих между филаментами волокон при формировании

Рис. 2.1. Зависимость прочности УУКМ при сжатии от плотности материала

пироуглеродной матрицы.

В практике наибольшее применение находят ортогонально армированные УУКМ. При формировании армирующего каркаса ортогональной структуры между волокнами возникают полости, сообщающиеся между собой посредством каналов, сечение кото­ рых имеет форму криволинейного треугольника АВС (рис. 2.2). Технология формирования каркасов позволяет варьировать число рядов волокон вдоль осей X , У благодаря низкой степени уплотнения. Тем самым достигается возможность формирования

Рис. 2.2. Фрагмент ортогональной структуры

армирующих систем с плотностью 200—800 кг/см3. Наиболее наглядно полости и каналы сообщения между ними можно представить, если принять волокна вдоль осей X, У в форме прямоугольных брусков, а волокна вдоль оси Z—в форме цилиндров (рис. 2.3). Предполагается, что формирование матри-

Поэтому методы механики находят использование уже при изыскании принципов создания самих УУКМ. Сделана попытка рассмотреть современные тенденции развития УУКМ именно с точки зрения микромеханики материалов. Большинство существу­ ющих УУКМ слабо сопротивляется межслоевому сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому при конструировании важное практическое значение имеет поиск методов и приемов устра­ нения отрицательных особенностей композитов с традиционной схемой армирования, основанной на системе одной или двух нитей.

При практическом конструировании армирующих систем в процессе создания материала один из главных параметров с точки зрения механики—объемный коэффициент заполнения—не является определяющим. Здесь появляются новые критерии: минимальная травмируемость наполнителя при переработке в армирующий каркас и обеспечение оптимальных условий фор­ мирования матрицы.

Для полного использования потенциальных возможностей УУКМ необходимо создать такую схему армирования, которая наилучшим образом соответствовала бы ожидаемым сложным напряженным состояниям и сложным схемам нагружения. Прин­ ципиально важное место в этой проблеме занимают пространст­ венные схемы армирования.

Конструктивное использование углеродных объемно арми­ рованных УУКМ можно разделить на две группы: каркасные и тканевые. Полученная основа наполнителя в виде жесткого каркаса или мягкой тканевой формы на оправке с соответству­ ющим профилем заполняется углеродной матрицей. Любая схема армирования ведет к нескольким следствиям: сообщающиеся поры соседних слоев имеют лабиринтообразный характер; лабиринто­ образные поры в каждом слое по ширине равны диаметру (условному) жгута; две щелевидные полости в смежных слоях могут быть соединены узкими проходами—образуются своеобраз­ ные «бутылкообразные» поры. В связи с этим структурная схема армирующих систем должна обеспечивать наличие сквозных транспортных каналов постоянного сечения по всему объему.

2.2. Структуры с простейшей геометрией регулярных упаковок

К материалам с простейшей геометрией регулярных упаковок относятся ориентированные композиционные материалы, в кото­ рых все волокна ориентированы в одном направлении. Они относятся к трансверсально-изотропным. Однонаправленные или одноосно-армированные композиты называют также компози­ ционными материалами (КМ) с ориентацией волокон 1 0.

В идеализированных линейно армированных материалах структура определенав заимным расположением волокон, что оказывает влияние на характер взаимодействия компонентов в поле напряжений и объемное содержание матрицы и на­

полнителя. Геометрия простейших регулярных упаковок рассмот­ рена в работе [14]. Такие модели структуры обладают свойствами трансверсальной симметрии. Выделены четыре суще­ ственно различные структуры: моноклинная, центрированная орторомбическая, тетрагональная с ортотропной анизотропией и гексагональная. Последняя обладает наивысшей симметрией и соответствует среде с трансверсальной изотропией и наименьшим числом существенно независимых упругих постоянных.

В сложных структурах каждый приведенный элемент со­ держит несколько волокон различных или одинаковых диаметров. Взаимному расположению волокон в такой ячейке может соот­ ветствовать определенная группа симметрии. Ортотропные (орто­ гонально-изотропные) материалы характеризуются наличием в каждом элементарном объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств. К таким материалам относятся УУКМ, армированные последовательно чередующимися слоями волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях и тканями с продольно-поперечной укладкой, а также слоистые материалы, армированные в двух неортогональных направлениях Х 1 и Х 2 с правильным чередованием слоев. Плоскостями

симметрии являются срединная плоскость листа и две плоскости, перпендикулярные к ней и проходящие через бессектрисы углов, образованные осями Х { и X 2. УУКМ с такой укладкой волокон

в смежных слоях обладают изотропией свойств в плоскости листа в том случае, если угол между направлениями укладки волокон

все направления в плоскости листа эквивалентны друг другу. Каждой определенной структуре схемы армирования соответ­

ствует свое определенное относительное объемное содержание волокон с радиусом г. Практическая польза рассмотренных вариантов невелика, поскольку однонаправленные УУКМ и УУКМ с плоской схемой армирования имеют весьма ограничен­ ное применение. Наибольший практический интерес представля­ ют пространственные схемы армирования [20, 65]. Для изготовления элементов конструкций разработаны УУКМ с пространственной схемой армирования, образованные системой трех и более нитей. Они объединены в следующие группы: ортогонально-армированные, с косоугольной структурой, с осевой симметрией, сложно-армированные.

2.3. Трехмерно-направленная ортогональная армирующая система

Трехмерно-направленная ортогональная армирующая система формируется переплетением трех семейств прямолинейных воло­ кон, причем каждое семейство образует с двумя другими угол 90°.