 |
Принципы выбора волокнистых наполнителей и схем армирования при проектировании изделий из ВКМ
|
|
|
|
Проектирование технологических процессов (ТП) производства изделий невозможно без конструирования ВКМ и непосредственно изделий из него.
При синтезе новых перспективных материалов с заданным комплексом свойств для конкретных условий эксплуатации используют материаловедческий подход. При этом придерживаются следующих принципов и правил:
- правильный выбор отдельных компонентов ВКМ с целью определения наиболее подходящих материалов для достижения заданных свойств ВКМ;
- производят априорное определение тех специфических свойств компонентов, которые должны проявиться при работе материала;
- особое внимание при создании ВКМ обращают на физическую, химическую, механическую и термодинамическую совместимость возможных компонентов;
- необходимо, чтобы выбранные компоненты в ВКМ имели строгую геометрию.
Как правило, один компонент ВКМ воспринимает нагрузку и должен обладать высокой прочностью, другой – лишь передает эту нагрузку высокопрочному материалу и может упруго и пластически деформироваться. При этом желательно, чтобы прочная составляющая имела вытянутую форму, тогда как менее прочная составляющая должна окружать ее и связывать отдельные волокна в единую структуру. Чаще всего меньшая прочность матрицы не проявляется, т.к. она компенсируется более высокой прочностью наполнителя, способного выдерживать существенно более высокие нагрузки, чем матрица.
Матрица защищает волокна от воздействия атмосферы или окружающей среды, препятствует их окислению, коррозии, механическим повреждением. Если матрица не защищает, а разъединяет волокна, то волокна потеряют свою прочность, следствием чего будет разрушение КМ.
|
|
|
В результате соблюдения указанных принципов возможно создание ВКМ с заданными свойствами.
Изделие из ВКМ может быть представлено как система деталей определенного функционального назначения. Каждый конструктивный элемент изделия может быть представлен как совокупность двух подсистем:
- подсистемы элементарных поверхностей, определяющих конфигурацию изделия;
- подсистемы структуры армирующего слоя (слоев), влияющих на механические характеристики изделия.
В общем случае процесс конструирования КМ можно представить следующей схемой (рис. 31).
Рис. 31. Схема процесс конструирования КМ
При конструировании ВКМ необходима тесная взаимосвязь каждого из этапов друг с другом.
По определению композиты состоят из двух групп компонентов (фаз):
- наполнитель (или арматура) в виде дискретных частиц или волокон - образует дискретную фазу;
- связующее (матрица) - материал, заполняющий пространство между арматурой и образующий сплошную среду (рис. 32).
Рис. 32. Компоненты композиционных материалов:
1 - наполнитель; 2 - связующее; а - дискретные частицы; б - волокна, нити, жгуты; в - ткань; г - листовой материал
Арматура воспринимает основные напряжения, возникающие в композите под воздействием внешних нагрузок, и определяет основные механические характеристики.
Матрица обеспечивает совместную работу дискретных элементов арматуры, объединяя их в монолит, за счет собственной жесткости и адгезии на границе раздела матрица-арматура. Эта фаза в меньшей степени определяет механические свойства, но оказывает решающее влияние на технологические характеристики, например возможность формообразования и технологические режимы.
Следует отметить, что понятие "наполнитель" является общим и объединяет не только дискретные элементы с высокой прочностью и жесткостью. Под это понятие подходят также включения газов в виде малоразмерных пузырьков в объеме матричного материала. Такое условное армирование обеспечивает не прочность, а другие функциональные характеристики, например, высокие звуко- и теплоизоляционные способности. Композиты следует отличать от смесей и растворов. В первом случае материал не является монолитным, во втором - отсутствует граница раздела между компонентами.
|
|
|
Выбор ингредиентов ВКМ
Основными критериями для выбора волокнистого материала являются относительная стоимость С=Ц×r/sв и удельные прочность sв/r и упругость Ев/r (Ц – цена, r - плотность волокнистого наполнителя, sв и Ев – прочность при растяжении и модуль упругости соответственно).
С учетом комплекса требований ТЗ и при С = min, sв/r = max и Ев/r=max осуществляют выбор наполнителя.
При выборе геометрической формы и размеров наполнителя учитывают их влияние на распределение нагрузки в композиции, механизм разрушения КМ, а также - размеры и форму изделия, условия эксплуатации и др.
Для изделий малой толщины и сложной конфигурации предпочтительнее использовать высокодисперсные наполнители (порошки и т.д.), т.к. они легко распределяются в связующем (матрице).
При использовании волокнистого наполнителя (волокна, нити, жгуты) прочность наполнителя в изделии используется максимально, причем механические свойства ВКМ достигают максимальных значений при степени наполнения Vв=0,65…0,75.
Замена монолитных волокон полыми позволяет увеличить прочность и жесткость изделий при сжатии и изгибе, однако их использование в изделиях, работающих на растяжение, неэффективно.
Выбор оптимального диаметра непрерывных волокон осуществляют по формулам:
(при растяжении) - 
(105)
(при сжатии) - 
(106)
где d - толщина слоя связующего между волокнами; eм и eв – относительное удлинение при разрыве матрицы и волокна соответственно; s - разрушающее напряжение при сжатии однонаправленного ВКМ; G - модуль сдвига связующего.
При создании КМ с требуемыми sкм, Екм, eкм выбор оптимального соотношения ингредиентов осуществляют по зависимостям:
(107)
(108)
где sв и Vв – пределы прочности и объемная доля волокон в КМ; sтм – предел прочности матрицы; Ев и Ем – модули упругости волокна и матрицы соответственно.
|
|
|
Для полной реализации механических свойств волокон в КМ необходимо соблюдение условия Ем³ Ев.
Определение оптимальной степени наполнения производят из соотношения:
(109)
(110)
где - dmin - минимальная толщина прослойки связующего (матрицы) между волокнами; D – диаметр волокна; VВV - объемное содержание волокон; k=dвн/dн – коэффициент капиллярности, dвн и dн – внутренний и наружный диаметры полого волокна.
Выбор схемы армирования осуществляют на основании данных о распределении силового поля и характера нагружения, направлений и значений действующих сил, углов армирования и количество волокон в каждом направлении.
В общем случае при выборе схем армирования придерживаются следующих принципов:
- ориентация элементарных волокон или нитей в КМ одномерна в направлении вектора приложенной нагрузки;
- объемное содержание волокон должно быть большим и стремиться к своему предельному значению;
- волокна в системе равнонагружены и работают одновременно;
- число перекрещивающихся слоев (для многослойных КМ) должно быть одинаковым;
- волокна (слои) должны быть качественно склеены между собой.
При использовании в качестве наполнителей тканых материалов в основном придерживаются вышеприведенных принципов. При этом учитывают (для конкретных условий эксплуатации КМ) и вид прилагаемой нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение).
Таким образом, выбрав форму, размеры и материал наполнителя, можно получить достаточно точные данные о том, из какого материала должен быть второй компонент КМ.
Схемы армирования в ПКМ. В качестве арматуры, в основном, используются ткани и ровинги из волокон: стеклянных, углеродных, органических, базальтовых, борных. Строение тканей характеризуется толщиной нитей, видом переплетения, плотностью, а также прогнутостью нитей основы и утка, характером поверхности.
Наименьшей прочностью и жесткостью обладают ПКМ, армированные тканями трикотажного плетения, так как их волокна сильно искривлены. В то же время эти ткани наиболее податливы и дают возможность укладывать их на поверхности с малыми радиусами кривизны без складок.
|
|
|
Полимерные композиты являются материалами с регулируемой анизотропией механических свойств. То есть они позволяют для конструкций, имеющих одни и те же геометрические формы, обеспечить разное восприятие и передачу внешней нагрузки путем перераспределения напряжений за счет изменения анизотропии ПКМ. Регулирование анизотропии свойств достигается за счет выбора схем армирования. Для слоистых композитов схема армирования определяется направлением укладки волокон в слоях. Направление укладки определяется величиной угла между осью изделия и направлением волокон арматуры.
На рис. 33 показаны типовые схемы армирования. При укладке всех волокон параллельно оси (укладка 0°, рис.33, а) получается однонаправленный ПКМ. Такое армирование осуществляется с помощью ровинга. Если слои ровинга уложить во взаимно перпендикулярных направлениях, то получается структура, изображенная на рис. 33, б - укладка под 0° и 90°
На рис.33, в показано армирование, при котором один слой ориентирован вдоль оси изделия (0°), а два слоя - под углами 45° и -45°. Варианты армирования по схемам на рис. 33 а, б, вмогут быть реализованы и с помощью тканей различного плетения.
Рис. 33. Схемы армирования:
а- 0°; 6-0°, 90°; в -0°, 45°, -45°
Схема армирования оказывает большое влияние на прочность композитов при различных условиях нагружения.
Однонаправленное армирование волокон обеспечивает наибольшую удельную прочность для конструкции, работающей в условиях одноосного нагружения. В то же время в перпендикулярном направлении прочность материала незначительна, так как определяется только механическими свойствами матрицы.
Армирование в ортогональных направлениях (рис. 33, б) обеспечивает рациональное восприятие нагрузки, действующей в разных направлениях.
При наличии сдвигающих усилий (рис.33, в) целесообразно выбрать схему армирования, включающую волокна, ориентированные под углом к оси изделия. Основной принцип, которым руководствуются при выборе схемы армирования, состоит в том, чтобы в наибольшей мере совместить поле действующих напряжений с направлением укладки арматуры.
Прочность материала в значительной степени зависит также от доли арматуры в общем объеме материала. При использовании монолитных волокон круглого сечения (типичные армирующие наполнители) показатели механических свойств однонаправленного материала достигают максимума при Уг=0,65-0,7. Повысить объемную долю наполнителя до 0,85 удается при использовании профильных волокон, после чего прочность материала начинает в большей степени зависеть от прочности сцепления на границе волокно - связующее.
|
|
|
Искривление волокон в изделии, например, за счет тканой структуры тканей, приводит к неодновременному включению их в работу и, соответственно, к разнонапряженности, что вызывает снижение прочности и жесткости материала. В связи с этим можно предположить, что армирование ровингом обеспечивает большую прочность, чем армирование тканями.
Выбор связующего. Полимерная матрица является важнейшим компонентом КМ, определяющим его технологические и эксплуатационные свойства. В качестве матрицы в КМ используют отверждаемые эпоксидные, полиэфирные и др. термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. Матрица (связующая композиция) должна обладать определенным комплексом свойств, среди которых можно выделить:
- наличие реакционно-способных функциональных групп: эпокси – карбокси и др.);
- достаточная для переработки вязкость;
- хорошая смачивающая способность по отношению к материалу наполнителя и хорошая адгезия;
- адгезия матрица-наполнитель должна быть больше когезионной прочности связующего;
- обладать высокой скоростью отверждения;
- не выделять при отверждении низкомолекулярных побочных продуктов;
- должно обеспечивать идеально упругое поведение материала КМ и др.
Для улучшения физических, механических, технологических и специальных характеристик КМ в состав связующего вводят наполнители, добавки, пластификаторы. Пластификаторы, в свою очередь, должны обладать следующими основными свойствами:
- способность совмещаться с полимерами;
- малой летучестью;
- способностью проявлять пластифицирующие действия при повышенной температуре;
- химической стойкостью, которая должна быть не ниже, чем у пластифицируемого полимера;
- не должны экстрагироваться из полимера.
список литературы
1 Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д. Протасов, В.В.Болотин и др.; Под общ. ред. В.В.Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
2 Справочник по композиционным материалам. В 2-х кн. Кн. 1,2 / Под ред. Дж.Любина; Пер. с анг. А.Б.Геллера и др.; Под ред. Б.Э.Геллера. - М.: Машиностроение, 1988.
3 Кукин Г.Н., Соловьев А.Н., Кобляков А.И. Текстильное материаловедение (волокна и нити): Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1989, 352 с., ил.
4 ГОСТ 6611.3-2003. Материалы текстильные. Нити. Методы определения числа кручений, укрутки и направления крутки
5 Лабораторный практикум по текстильному материаловедению./ Под ред. А.И. Коблякова. - М.: Легпромбытиздат, 1986. - 344 с., ил
6 Кукин Г.Н., Соловьев А.Н., Кобляков А.И. Текстильное материаловедение (текстильные полотна и изделия): Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1992. - 272 с.
7 Бузов Б. А., Модестова Т. А., Алыменкова Н. Д. Материаловедение швейного производства: Учеб. для вузов,- 4-е изд., перераб и доп.,- М., Легпромбытиздат, 1986—424.
8 Дамянов Г.Б. и др. Строение ткани и современные методы ее пректирования / Дамянов Г.Б., Бачев Ц.З., Сурнина Н.Ф. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. – 240 с.
9 Макарова Т.А., Потапова Л.В. Текстильное материаловедение. - М.: Издательство МТИ,1986.-171 с
10 Далидович А. С. Основы теории вязания. Учебник для вузов. М.: Легкая индустрия. 1970г. 432 с.
11 Кобляков А. И. Структура и механические свойства трикотажа.- М.: Легкая индустрия, 1973.- 238 с.
12 Кудряшова Н.И., Кудряшов Б.А, Высокоскоростное растяжение текстильных материалов. М. Легкая индустрия 1974.- 267 с.
13 Колесников П.А. Эксплуатационные свойства тканей и современные методы их оценки - М.:, Легкая индустрия 1967. 306 с.
14 Гущина К.Г., Беляева С.А. Эксплуатационные свойства материалов для одежды и методы оценки их качества.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. 312 с.
15 Электрические свойства полимеров./ ред. Сажин Б.И. Л.:Химия, 1977, 250 с.
16 Шалов И.И., Далидович А.С., Кудрявин Л.А. Технология трикотажа. М.: Легпромбытиздат, 1986. – 376с
17 Лабораторный практикум по технологии трикотажного производства: учебное пособие для вузов / Под общ. ред. Л.А. Кудрявина. - М.: Легкая индустрия, 1998. – 432
18 Поспелов Е.П. Двухслойный трикотаж: учебное пособие. М.: Лег.и пищ.пром-сть, 1982. - 207 с.
19 Марисова О.И. Трикотажные рисунчатые переплетения: 2 изд.-М.: Легкая и пищевая пром-сть,1984.-215с
20 Садыкова Ф.Х., Садыкова Д.М., Кудряшова Н.И. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легпромбытиздат, 1989, 288 с., ил.
Ответственный за выпуск О.Ю. Харитонова
Лицензия № 020404 от 6.03.97
Подписано в печать 29.06.10 Формат 60х84 1/16
Бумага писчая. Печать Riso 7,2 усл.печ.л
7,75 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ …. «С» 103
Издательство Казанского государственного технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского государственного
технологического университета
420015, Казань, К. Маркса, 68
|
|
|
