Г
.Г.Богатеев,
К.В. Микрюков, Д.Г. Богатеев
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВОЛОКНИСТЫХ, НИТЕВИДНЫХ И ТКАНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
У
чебное
пособие
2010
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
Г.Г.Богатеев, К.В. Микрюков, Д.Г. Богатеев
Основные характеристики волокнистых, нитевидных и тканых наполнителей композиционных материалов
Учебное пособие
Казань
КГТУ
2010
УДК 658.512
ББК
Г.Г. Богатеев, К.В. Микрюков, Д.Г. Богатеев
Волокнистые, нитевидные и тканые наполнители конструкционных, защитных и специальных композитов: Учебное пособие / Г.Г. Богатеев, К.В. Микрюков, Д.Г. Богатеев. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. – 124 с.
Пособие соответствует авторскому курсу по дисциплинам «Проектирование технологических процессов и производства изделий из композиционных материалов» и «Конструкционные и функциональные волокнистые композиты» для подготовки специалистов по специальности 150502 «Конструирование производство изделий из композиционных материалов» и бакалаврской по направлению 150600 «Материаловедение и технология новых материалов»
Приведены классификация и основные сведения по основным свойствам волокнистых и тканных армирующих наполнителей композиционных материалов, а так же по способам определения ряда характеристик. Сформулированы основные принципы выбора волокнистых наполнителей и схем армирования.
Предназначено для студентов, аспирантов и научно-технических работников, занимающихся изучением, разработкой и конструированием композиционных материалов.
Подготовлено на кафедре химии и технологии гетерогенных систем.
Под редакцией проф. И.А. Абдуллина
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета.
Рецензенты: д-р техн.наук. проф. Э.Р. Галимов
канд.техн.наук А.С.Арутюнян
ISBN _________________ Богатеев Г.Г., Микрюков К.В.,
Богатеев Д.Г.
Казанский государственный
технологический университет, 2010
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ 7
1.1. Основные понятия и определения 7
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ 8
3. НЕТКАНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ 10
1.2. Непрерывные волокна и нити 11
3.1.1 Текстильные формы волокон 11
3.1.1 Текстильные формы волокон 11
3.1.2 Строение волокон 12
3.1.2 Строение волокон 12
3.1.3 Структура нитей 15
3.1.3 Структура нитей 15
3.1.4 Скрученность и укрутка нитей 19
3.1.4 Скрученность и укрутка нитей 19
3.1.4.1 Характеристики скрученности и извитости нитей, ворсистость. 20
3.1.4.1 Характеристики скрученности и извитости нитей, ворсистость. 20
1.3. Свойства непрерывных волокнистых наполнителей. 24
3.1.5 Структурные характеристики 24
3.1.5 Структурные характеристики 24
3.1.6 Геометрические свойства волокон и нитей 26
3.1.6 Геометрические свойства волокон и нитей 26
3.1.7 Механические свойства волокон и нитей 31
3.1.7 Механические свойства волокон и нитей 31
3.1.8 Тепловые свойства 43
3.1.8 Тепловые свойства 43
3.1.9 Электрические свойства 46
3.1.9 Электрические свойства 46
3.1.10 Сорбционные свойства 48
3.1.10 Сорбционные свойства 48
3.1.11 Оптические свойства 52
3.1.11 Оптические свойства 52
3.1.12 Стойкость к атмосферным воздействиям и действию химических реагентов 54
3.1.12 Стойкость к атмосферным воздействиям и действию химических реагентов 54
1.4. Влияние различных факторов на механические свойства волокон и нитей 57
3.1.13 Влияние природы волокна, их геометрических характеристик и структурных свойств на механические показатели 57
3.1.13 Влияние природы волокна, их геометрических характеристик и структурных свойств на механические показатели 57
3.1.14 Влияние условий испытаний и нагружения 60
3.1.14 Влияние условий испытаний и нагружения 60
4. ТКАНЫЕ АРМИРУЮЩИЕ НАПОЛНИТЕЛИ 63
4.1 Классификация наполнителей 63
4.1 Классификация наполнителей 63
4.2 Свойства тканых наполнителей 64
4.2 Свойства тканых наполнителей 64
Структурные свойства 64
4.2.1.1 Виды переплетения 65
4.2.1.1 Виды переплетения 65
4.2.1.2 Плотность ткани 69
4.2.1.2 Плотность ткани 69
4.2.1.3 Заполнение, пористость и наполнение ткани 70
4.2.1.3 Заполнение, пористость и наполнение ткани 70
Механические свойства 74
Другие виды механических характеристик 79
4.3 Методы испытаний на растяжение до разрушения 83
4.3 Методы испытаний на растяжение до разрушения 83
Форма проб и их заправка 85
4.4 Физические свойства текстильных полотен 88
4.4 Физические свойства текстильных полотен 88
Гигроскопические свойства 88
Проницаемость 91
Тепловые свойства 95
Оптические свойства 101
Электрические свойства 103
Акустические свойства 106
4.5 Отбор проб и выборок полотен и изделий 107
4.5 Отбор проб и выборок полотен и изделий 107
Характеристики промышленных тканей 108
Трикотаж 109
5. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И СХЕМ АРМИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВКМ 120
1.5. Выбор ингредиентов ВКМ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130
Введение
Расширение класса конструкционных материалов за счет широкого внедрения в практику композиционных материалов (КМ), совершенствование конструкций изделий из КМ и технологии их переработки открывает широкие возможности по использованию в композитах новых волокнистых материалов в качестве силовой основы.
Современные КМ обладают широким спектром механических, физических и химических свойств, способностью к целенаправленному их изменению в соответствии с назначением конструкции. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность КМ во многом зависит от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.
В современных композитах используют тонкие, диаметром (5...200) 10-6 м, непрерывные или короткие волокна, являющиеся армирующими элементами или служащие основой для изготовления нитей, жгутов, лент и тканей с различными типами плетения. Выбор природы матрицы, армирующих наполнителей, типа переплетения и схемы армирования КМ осуществляют в зависимости от назначения конструкции и условий эксплуатации изделий. При этом, для создания заданного соотношения наполнитель-матрица необходимо знать основные свойства наполнителя.
Настоящее пособие касается вопросов изучения и определения геометрических, структурных, массовых, механических и некоторых других свойств армирующих наполнителей (волокна, нити, ткани и т. п.), как силовой основы конструкционных и защитных композитов и изделий на их основе.
Общая характеристика волокнистых композитов
1.1.Основные понятия и определения
Волокнистые композиционные материалы (ВКМ) состоят, как правило, из волокнистого наполнителя и матричного материала.
Волокнистый наполнитель воспринимает основные напряжения, возникающие при действии внешних нагрузок, и обеспечивает жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.
Пластичная матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно.
Волокнистые композиты отличаются от других типов композиционных материалов структурой и механизмом образования прочности. Особенность структуры ВКМ заключается в равномерном распределении высокопрочных волокон в пластичной матрице с высокой объемной степенью наполнения (до 75%), что придает волокнистому композиту ярко выраженную анизотропию свойств в направлении преимущественного расположения волокон. Структура ВКМ определяет механические свойства композиции и механизм ее разрушения. В ВКМ поперечные растягивающие напряжения в конце растущей трещины могут вызвать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела - распространение отслоенных участков вдоль волокон. При отслаивании затрачивается энергия, т. к. волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться вдали от плоскости распространения трещины. Поэтому для волокнистых композитов характерен такой механизм повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Высокая прочность ВКМ связана с наличием большой поверхности раздела между наполнителем и матрицей, которая препятствуют дальнейшему развитию образовавшейся при нагрузке трещины. При нагружении изделия происходит вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между ними. Дополнительное сопротивление распространению трещин, развивающихся в матрице, оказывают силы трения между вытягиваемым волокном и матрицей. Высокая трещиностойкость ВКМ обеспечивает их работоспособность при значительных накопленных повреждениях [1].