2.2 Армирующие материалы
2.2.1 Армирующие каркасы композитов
Непропитанные волокнистые материалы (волокна, нити, жгуты, ткани, трикотаж и др.), образующие определенную плоскую или пространственную структуру, называют армирующими каркасами. Армирующие каркасы подразделяются на четыре категории: дискретную, непрерывную, одномерную, плоского переплетения (двухмерную) и пространственную интегрированную [11, 16, 32].
В дискретной волокнистой системе ориентация волокон хаотична и не поддается точному контролю.
Для структур второй категории характерна наивысшая степень непрерывности и линейности волокон. В этих структурах реализуется наибольшая эффективность свойств волокон. Подобные структуры характерны для намоточных волокнистых систем. Недостаток армирующих каркасов намоточных волокнистых систем заключается в их низкой внутри- и межслоевой прочности.
Третью категорию волокнистого армирования составляют системы плоского переплетения, с помощью которых можно получить различные геометрии структур армирующих каркасов. В случае тканых материалов путем изменения частоты переплетения нитей основы и утка можно образовывать полотняное (наибольшая частота переплетения), саржевое или сатиновое переплетения (наименьшая частота переплетения). Чем меньше извитость волокон в армирующем каркасе, тем больше эффективность использования его прочностных и жесткостных свойств и меньшая структурная целостность. Полотняное переплетение характеризуется большой структурной целостностью за счет снижения эффективности использования прочности нити. И, наоборот, большая эффективность использования прочности нитей у ткани сатинового переплетения характеризуется меньшей структурной целостностью.
Четвертую категорию волокнистых систем образуют интегрированные пространственные системы, в которых армирующие волокна ориентированы в разных направлениях в плоскости и пространстве. Основная положительная черта таких структур – отсутствие выраженных направлений слабого сопротивления сдвигу, отрыву и расслоению благодаря многонаправленному армированию.
В основе всех типов армирующих каркасов лежит нить. Свойства нити зависят в свою очередь от физических свойств и структуры составляющих ее волокон [16, 18, 20, 22, 31].
2.2.2 Структура и свойства нити
По определению, нить есть линейное соединение волокон, сформированное в непрерывную прядь. Нить может состоять из одного или более непрерывных волокон (до нескольких тысяч) либо из множества прерывающихся коротких (так называемых штапельных) волокон. Чтобы предотвратить проскальзывание волокон относительно друг друга и образовать функциональную нить, штапельным волокнам придают значительную крутку или переплетение. Нити из штапельных волокон называются штапельными нитями или штапельной пряжей. Две или более единичные нити могут скручиваться вместе с образованием крученых нитей в два, три и более сложения, из которых последующей круткой можно получить пряжу более сложного строения. На рис. 2.1 представлены схемы нитей различных структур [32].
Свойства нити зависят от физических свойств и структуры составляющих ее волокон. Структурные особенности нити зависят главным образом от геометрии образующих ее волокон, а также от технологических параметров получения нити (ориентации волокна относительно оси нити, крутки, степени сцепления волокон). Важным параметром нити является относительная плотность волокон в поперечном сечении нити, которая выражается количественно через коэффициент упаковки (объемность) волокон. Коэффициент упаковки равен отношению удельного объема волокна (см3/г) к удельному объему нити (см3/г). Значения коэффициента упаковки волокон в нитях различных структур приведены в табл. 2.2.
Структура нити играет главную роль в механизме реализации свойств волокон в свойства нити. Эффективность переноса свойств зависит главным образом от искривления волокон в нити и характера зацепления волокон, присущих разным типам структур нити. В нитях из высокомодульных материалов коэффициент реализации значительно ниже, чем у низкомодульных, из-за повреждения волокон в процессе переработки. Известно, что высокомодульные волокна и нити плохо сопротивляются контактным, сжимающим и изгибающим напряжениям. Поэтому высокомодульные волокна в ткани сохраняют не более 50 % исходной прочности и жесткости. Для достижения более высокого коэффициента реализации свойств в системах волокно - нить и волокно - ткань применяют различные структуры ткани, технологические приемы.
|
а |
|
б |
|
в |
|
г |
Рис. 2.1 Идеализированные схемы нитей различных структур:
а - непрерывное волокно;
б - некрученая нить из непрерывных волокон;
в - штапельная нить;
г - крученая нить из непрерывных волокон
Таблица 2.2
Типичные коэффициенты упаковки различных нитей
|
Структура нити |
коэффициент упаковки | |
|
моноволокно |
1,00 | |
|
Нить из моноволокон |
| |
|
некрученая |
0,25 | |
|
слегка крученая |
0,30 | |
|
регулярно крученая |
0,60 | |
|
сильно крученая |
0,90 | |
|
текстурированная |
0,33 | |
|
Штапельная нить |
| |
|
слабо крученая |
0,33 | |
|
сильно крученая |
0,60 | |