1371

Выбор самого подходящего типа волокон в каждом конкрет­ ном случае применения следует рассматривать как самостоя­ тельную задачу проектирования.

2.3.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТКАНЫХ СТРУКТУР

2.3.1.Ткани. Подходящим для армирования композитов материалом из переплетенных нитей является двунаправлен­

ная (2-D) ткань. Ткани характеризуются шагом нитей, раз-

мером пучка, процентным содержанием нитей в каждом на­ правлении, эффективностью упаковки нитей и сложностью узора плетения. Схемы тканей полотняного и пятиремизного сатинового переплетений показаны на рис. 2. Преимуществом тканей сатинового переплетения является наличие прямых

232 Л. Макаллистер, У Лакман

свободных участков нитей, придающих композиту большую прочность.

Геометрию плетения ткани можно сделать самой разно­ образной, однако в любом случае присущее тканевой струк­ туре поле сопротивления совпадает с плоскостью ткани и ограничено ее толщиной.

Если необходима схема армирования с третьим направле­ нием нитей, можно создать трехнаправленные (3-D) ткани.

тей) получается при применении нитей наименьшего диа­ метра.

2.3.2. Многонаправленные структуры. Идеалом структуры конструкционных композитов является материал, в котором заданный тип и количество армирующих волокон в объеме изделия расположены так, что элемент конструкции из этого материала выдерживает расчетные нагрузки. Технология многонаправленного ткачества и является способом произ­ водства композитов с регулируемыми свойствами.

Наиболее простая многонаправленная структура состоит из системы трех взаимно перпендикулярных нитей (3-D). Как показано на рис. 4, этот тип структуры состоит из пучков нитей, расположенных в направлениях прямоугольной систе­ мы координат. Для максимального использования возмож­ ностей армирующего каркаса он составлен из прямых нитей.

В 3-D ортогональных структурах тип и количество нитей на единицу длины может варьироваться во всех трех направ-

Рис. 4. Схемы ортогонального трехнаправленного (3-D) переплетения [31].

лениях. Схематически это показано на рис. 4. Например, укладка 1.1.1 является сбалансированной с одной нитью на единицу длины в направлениях X, У и Z. На рис. 4 показаны также конструкции с различным количеством нитей на еди­ ницу длины.

Типичные значения шага нитей, плотности структурного каркаса и объемного распределения арматуры для 3-D струк­ тур из двух типов высокомодульной графитовой нити, под­ считанные для разных сочетаний числа нитей в направле­ ниях X, Y и Z при известных плотности и эффективности упаковки нити, приведены в табл. 2. Например, если считать нити твердыми стержнями квадратного поперечного сечения, то предельная плотность упаковки структурного элемента сбалансированной ортогональной 3-D структуры равна 75 %. Остальные 25 % объема составляют пересекающиеся пу­ стоты. Так как поперечное сечение группы нитей не является правильным квадратом, а элементарные волокна не скомпо­ нованы в сплошную, без пустот, нить, то действительный объем волокон в структурном элементе всегда меньше 75%.

Фактически характеристики трехнаправленной структуры определяются инструментами, применяемыми при изготовле­ нии армирующего каркаса. Характеристики нити, число ни- ?ей на единицу длины и расстояние между ними определяют плотность, объемную долю и распределение волокон в полу-

ром являются размеры и распределение пустот. Заполнение больших пусгот полимерным свя­ зующим приводит к уменьшению

ными свойствами обеспечивают структуры с 4, 5, 7 и И на­

лярной направлению Z под уг­ лами ±45° к волокнам направле­ ний X и Y.

ортогональных элементов. Меняя соотношения числа волокон по направлениям схемы типа 7-D, можно управлять

1

Рис. 12. Расположение нитей в трехнаправленном (3-D) переплетении кар­ каса цилиндрической формы [31]. / — радиальные, 2 — осевые, 3 — окруж­ ные элементы армирования.

т. е. на размере пучка нитей, шаге нитей и процентном распре­ делении нитей по направлениям. Схематически тканая струк­ тура тела вращения показана на рис. 12. Нити уложены в

усеченных конусов. Осевые нити в этом случае ориентируют параллельно образующей конуса. Изменение дна\1етра ха­

рактеризуется дополнительным параметром. Постоянство шага и плотности армирования по высоте конуса можно обеспечить, сделав осевые нити коническими. Схемы и пара­ метры плетения усеченных конусов могут быть такими же, как и для цилиндров. Применение современной технологии позволяет изготавливать изделия в виде комбинаций ци­ линдра и усеченного конуса, например оживало или цилиндр с полусферическим куполом, изготавливаемых как одно целое (рис. 11).

2.4.ИЗГОТОВЛЕНИЕ МНОГОНАПРАВЛЕННЫХ СТРУКТУР

2.4.1.Общие замечания. В разд. 2.3 были описаны раз­ личные многонаправленные схемы армирования материалов

класса углерод — углерод и других типов композитов, а так­ же возможные виды изделий из этих материалов. Для изго­ товления этих изделий применяются различные методы. Эле­ менты оборудования и процедуры изготовления многона­ правленных структур запатентованы, однако в литературе можно найти достаточно информации общего характера для рассмотрения этих вопросов. Как будет показано ниже, мно­ гонаправленные структуры изготавливают различными мето­ дами, включая ткачество сухих нитей, прошивку ткани, сбор жестких прутков (полученных из нитей методом пултрузии), намотку нитью и комбинации этих методов.

2.4.2. Сухие тканые структуры. Большинство рассмотрен­ ных в разд. 2.3 проектов тканых армирующих структур по существу относятся к сухим тканым армирующим каркасам. Метод сухого ткачества является самым гибким и широко используется в производстве углерод-углеродных композитов, вследствие чего именно по этому методу информация об эле­ ментах технологии самая малочисленная. Процесс изготовле­ ния 3-D ортогональных блоков [2, 27] состоит в последова­ тельном размещении на определенном расстоянии горизон­ тальных рядов прямых нитей в направлениях X и У. Все смежные нити в слоях с направлением X или Y отделены ря­ дом тонких трубок. После того как подбором горизонтальных слоев X и Y достигнуты необходимые размеры заготовки, эти трубки заменяются вертикальными армирующими нитями, образующими направление Z. Схематически процесс укладки показан на рис. 14. Размеры армирующей заготовки в этом случае определяются только возможностями оборудования [27]. Так, на рис. 15 показана тканая заготовка, представ­ ляющая собой 3-D ортогонально армированный блок. Графи­ товая рама предотвращает перекашивание блока перед по­ следующей обработкой.

Рис. 14. Схема раскладки трехнаправленного (3-D) армирующего каркаса [27].

Возможны несколько вариантов плетения 3-D ортогональ­ ных блоков [27]. Распределение нитей в каждом из трех направлений можно менять, как показано на рнс. 4. Можно менять также плотность плетения. В одной нз структур, ко­ торая называется стандартным переплетением [28], нити, расположенные по оси Z, имеют диаметр 1,27 мм, а шаг между их центрами равен 2,54 мм. В другой структуре, на­ званной тонким переплетением, нити в направлении оси Z имеют диаметр 0,64 мм и шаг между их центрами 1,27 мм. Данные, приведенные в табл. 2, показывают, что шаг между центрами нитей, расположенных по оси Z, можно уменьшить до 0,53 мм.

Для изготовления сухих многонаправленных структур с укладкой волокон в окружном, осевом и радиальном на­ правлениях разработаны специальные ткацкие станки [2, 27], которые непрерывно улучшаются и все больше механизи­ руются [23].

Про работе на станках для плетения цилиндрических структур сначала в специальные плиты с отверстиями встав­