книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

Ткань изготавливают на ткацком станке переплетением двух взаимноперпендикулярных систем нитей пряжи - основных и уточных. Основные нити (основа) располагаются по длине куска ткани, а уточные (уток) —по его ширине, от кромки к кромке.

Процесс ткачества заклю­ чается в том, что основные нити, перематываясь на ткац­ ком станке (рис. 1.12) с ос­ новного валика (навоя) на то­ варный валик, переплетаются с нитями утка. Каждая основ­ ная нить проходит через от­ дельное небольшое колечко

(чалево), причем для образо­

2 <4

вания зева, в который попа­

<!

дает уточная нить, одновре­

менно часть основнь1х нитей Рис. 1.12. Схема ткацкого станка: поднимается чалевами, а Дру- 1 ~ основной валик; 2- товарный валик;

гая часть опускается. Челнок { ~ чал7ев0; 4 ~ зев; 5 ~ челнок; 6 ~

бердо; 7 - опушка ткани

с уточной нитью, намотанной на шпулю, механически прокидывается с одной стороны станка

на другую через зев, образованный основными нитями. Остав­ шаяся в зеве уточная нить, смотавшаяся со шпульки челнока, пробивается к краю (опушке) ткани бердом (стальной гребен­ кой, сквозь зубья которой проходят после прохождения чалев основные нити). Затем бердо отходит от опушки ткани, под­ нятые нити основы опускаются; опущенные поднимаются и в новый зев вновь прокладывается нить утка.

Основные технические характеристики ткани следующие: волокнистый состав, вид переплетения, способ отделки, ши­ рина, толщина, масса квадратного метра, число нитей основы и утка на единицу длины (плотность ткани), разрывная нагруз­ ка и растяжимость (удлинение) при разрыве.

Ткацким переплетением называют порядок последователь­ ного перекрытия на лицевой стороне ткани нитей основы нитями утка.

Органоткани отличаются достаточно высокой термостой­ костью, обладают малой усадкой по сравнению с тканями на основе других типов волокон (табл. 1.11).

Таблица 1.11

Характеристики тканей на основе органоволокои

Тканые слоистые органопластики обладают по сравнению со стеклопластиками более высокими прочностными и жесткостными характеристиками.

Отличительная особенность тканей из углеродных воло­ кон — их высокая термостойкость, жесткость и прочность. Для изготовления углеродных тканей применяют различные типы переплетений. Углеродные ткани в композиционных материалах используют в виде однонаправленных лент (кор­ довые ткани) или они имеют полотняное либо сатиновое плетение.

1.3. Матричные материалы

Матрица является важнейшим компонентом композита. Требования, предъявляемые к матрицам, можно подразделить на эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования, обусловленные механическими и физикохимичес­ кими свойствами материала матрицы, которые обеспечивают работоспособность композиции при действии различных экс­ плуатационных факторов. Механические свойства матрицы должны обеспечивать эффективную совместную работу арми­ рующих волокон при различных видах нагрузок. Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, нагружении композиции в направ­ лениях, отличных от ориентации волокон, а также при цикли­ ческом нагружении. Природа матрицы определяет уровень ра­ бочих температур композита, характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов. С повышением температуры прочностные и упругие характеристики матрич­ ных материалов, также как и прочность их соединения со многими типами волокон, снижаются. После достижения не­ которого температурного предела происходит резкое возраста­ ние пластических деформаций, ухудшается несущая способ­ ность композита, особенно при сжатии и сдвиге. Матрица также характеризует устойчивость материала к воздействию внешней среды, химическую стойкость, частично теплофизи­ ческие, электрические и другие свойства.

Технологические требования к матрице определяются осу­ ществляемыми обычно одновременно процессами получения композита и изделия из него. Суть этих процессов заключается в совмещении армирующих волокон с матрицей и окончатель­ ном формообразовании изделия. Цель проводимых технологи­ ческих операций — обеспечение равномерного (без касания между собой) распределения волокон в матрице при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение прочностных свойств волокон; создание достаточного прочного взаимодействия на границе раздела волокно - матрица. В связи с этим выдвигают определенные требования к материалу мат­ рицы: хорошее смачивание волокна жидкой матрицей в про­ цессе пропитки; возможность предварительного изготовления

полуфабрикатов (например, препрегов) с последующим изго­ товлением из них изделий; качественное соединение слоев композита в процессе формования; невысокая интенсивность параметров окончательного формообразования (например, температуры и давления); обеспечение высокой прочности сцепления матрицы с волокном, небольшая усадка и т.д.

В настоящее время наиболее широко распространены во­ локнистые материалы на полимерной и металлической матри­ цах.

Термореактивные полимерные матрицы

В качестве матричных материалов полимерных композитов используют термореактивные и термопластичные связующие.

Термореактивные связующие — низко вязкие, легкораство­ римые продукты (смолы), способные отверждаться при нагреве под действием отвердителей, катализаторов с образованием после отверждения необратимой сетчатой структуры (нераство­ римой и неплавкой).

Термопластичные связующие — высокомолекулярные ли­ нейные полимеры (волокна, пленки, порошки), которые при нагревании расплавляются, а при последующем охлаждении затвердевают и их состояние после отверждения обратимо.

Матрица должна обладать достаточной жесткостью и обес­ печивать совместную работу армирующих волокон; ее проч­ ность является определяющей при нагружении, не совпадаю­ щем по направлению с ориентациией волокон. Особенно важ­ ным является свойство матрицы образовывать монолитный материал, в котором матрица сохраняет свою целостность вплоть до разрушения волокон.

Таким образом, выбор связующего для композита — слож­ ная задача, правильное решение которой способствует созда­ нию материала с эффективными технологическими и эксплу­ атационными свойствами.

Полимерные матрицы (связующие) представляют собой от­ верждаемые термореактивные смолы или олигомеры.

Основными компонентами большинства отверждающихся связующих являются смолы — смесь реакционноспособных низкомолекулярных полимеров. Природа, молекулярная масса, количество реакционноспособных групп определяют темпера-

Процесс отверждения фенолформальдегидных смол прово­ дят в интервале температур 160...200 °С под давлением 30.. .40 МПа и выше.

Получаемые после отверждения трехмерные полимеры ста­ бильны при длительном нагревании до 200 °С и в течение ограниченного времени способны противостоять действию и более высоких температур (несколько суток при 200...250 °С, несколько часов при 250...500 °С, несколько минут при 500.. .1000 °С). Смолы начинают разлагаться при температуре около 3000 °С.

К недостаткам фенолформальдегидных смол можно отнести их большую объемную усадку при отверждении (15...25 %), связанную с выделением большого количества летучих веществ. Для получения материала с малой пористостью необходимо проводить формование под высоким давлением. Фенолфор­ мальдегидные смолы очень хрупки, что обусловлено значитель­ ными остаточными напряжениями, возникающими в материа­ ле при отверждении.

Полиэфирные смолы. Представляют собой насыщенные сложные эфиры (полималеинаты, олигоакрилаты и/г.п), их смеси между собой или с низкомолекулярными мономерами.

Ненасыщенные полиэфиры являются продуктами поликон­ денсации ненасыщенных двухосновных кислот или их ангид­ ридов с многоатомными спиртами (гликолями). Эти смолы - твердые вещества, хорошо растворимые в различных раствори­ телях. В частности, в качестве растворителей применяют мо­ номеры, способные в процессе отверждения сополимеризоваться со смолами.

Связующие на основе полиэфирных смол могут отверждать­ ся как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Для отверждения при комнатной температуре используют наряду с инициаторами, необходимыми и при высокотемпера­ турном отверждении, и ускорители распада инициатора. Ини­ циаторами полимеризации чаще всего являются пероксиды и гидропероксиды, а ускорителями их распада — третичные амины, кобальтовые соли нафтеновых кислот (например, нафтенат кобальта).

Полиэфиры в отвержденном состоянии характеризуются высокой стойкостью к действию воды, минеральных масел,