|
|
@@ -1,5 +1,5 @@
|
|
|
-\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых композитов с
|
|
|
-поликристаллической матрицей от наличия локальных концентраторов напряжений}
|
|
|
+\chapter{Разработка математической модели тканого композита с искривленными
|
|
|
+волокнами}
|
|
|
|
|
|
В главе\infirsttext
|
|
|
|
|
|
@@ -7,65 +7,6 @@
|
|
|
композиционных материалов, приводящие к появлению локальных концентраторов
|
|
|
напряжений}
|
|
|
|
|
|
-\subsection{Описание технологического процесса изготовления волокон}
|
|
|
-
|
|
|
-Волокна, используемые в тканых композитах с поликристаллической матрицей
|
|
|
-обладают уникальными механическими и физическими свойствами по раду показателей:
|
|
|
-высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и температурного расширения,
|
|
|
-высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам. Исходными
|
|
|
-материалами для получения таких волокон являются химические волокна и
|
|
|
-углеродные пеки.
|
|
|
-
|
|
|
-Технологический процесс получения волокон включает в себя стадии
|
|
|
-текстильной подготовки материала, окисления, карбонизации и графитизации.
|
|
|
-
|
|
|
-Во время текстильной подготовки из целлюлозного материала удаляется влага,
|
|
|
-неорганические примеси и органические вещества, включая замасливающие
|
|
|
-препараты, путем обработки их растворителями или поверхностно-активными
|
|
|
-веществами. После чего материал проходит сушку при температуре не ниже
|
|
|
-$100^\circ\mathrm{C}$ в течении $15$ часов.
|
|
|
-
|
|
|
-Окисление проводится при температуре не выше $350\dots400^\circ\mathrm{C}$. На
|
|
|
-этой стадии протекают основные химические реакции, наблюдаются наибольшие
|
|
|
-потери массы материала.
|
|
|
-
|
|
|
-Карбонизация проводится при температурах, достигающих
|
|
|
-$900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжаются химические процессы,
|
|
|
-в результате которых остаток обогащается углеродом. При этом, во время
|
|
|
-карбонизации изменяется комплекс физико-механических характеристик волокна, что
|
|
|
-особо важно для практических целей. Процесс карбонизации проводят в защитных
|
|
|
-средах нейтральных газов азота или аргона, которые предотвращают воздействие на
|
|
|
-целлюлозу кислорода из воздуха.
|
|
|
-
|
|
|
-При графитизации волокна подвергаются высокотемпературной обработке.
|
|
|
-Начальная температура графитизации определяется конечной температурой
|
|
|
-карбонизации, а конечная находится в пределах $2600\dots2800^\circ\mathrm{C}$.
|
|
|
-В процессе графитизации происходит насыщение волокон углеродом до содержания не
|
|
|
-менее $99\%$. Графитизацию проводят в среде аргона очень короткое время
|
|
|
-(несколько минут).
|
|
|
-
|
|
|
-Наряду с гидратцеллюлозным волокном в качестве сырья для получения углеродных
|
|
|
-материалов используют ПАН-волокно. Из него изготавливают высокопрочные,
|
|
|
-высокомодульные волокна. Одним из преимуществ ПАН-волокна является
|
|
|
-высокое содержание углерода --- около $40\%$ от массы полимера. Стадии процесса
|
|
|
-получения углеродных волокнистых материалов из ПАН-волокна и вискозного сырья
|
|
|
-аналогичны.
|
|
|
-
|
|
|
-Наиболее дешевыми и доступными исходными материалами для производства
|
|
|
-углеродных волокон являются нефтяные и каменноугольные пеки. Процесс получения
|
|
|
-волокон из пеков включает в себя следующие стадии: приготовление пека,
|
|
|
-формование волокна, карбонизацию и графитизацию.
|
|
|
-
|
|
|
-Волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов условно могут
|
|
|
-быть разделены на две группы:
|
|
|
-
|
|
|
-\begin{itemize}
|
|
|
- \item высокомодульные --- $E_1^+ = 300\dots700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots
|
|
|
-2.5$~ГПа;
|
|
|
- \item высокопрочные --- $E_1^- = 200\dots 250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots
|
|
|
-3.2$~ГПа \cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}.
|
|
|
-\end{itemize}
|
|
|
-
|
|
|
\subsection{Изготовление тканей}
|
|
|
|
|
|
Тканые материалы можно классифицировать по типу переплетения волокон. Выделяют
|
|
|
@@ -79,12 +20,12 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
нити располагаются по длине куска ткани, а уточные --- по его ширине, от кромки
|
|
|
к кромке.
|
|
|
|
|
|
-Можно выделить следующие основные технические характеристики ткани:
|
|
|
+Можно выделить следующие основные технические характеристики ткани
|
|
|
+\cite{bib:bulanov}:
|
|
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
|
\item волокнистый состав;
|
|
|
- \item вид переплетения;
|
|
|
- \item способ отделки;
|
|
|
+ \item тип переплетения;
|
|
|
\item ширина;
|
|
|
\item толщина;
|
|
|
\item масса квадратного метра;
|
|
|
@@ -92,6 +33,10 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
\item разрывная нагрузка и растяжимость (удлинение) при разрыве.
|
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
|
|
+В зависимости от материала, используемого для изготовления волокон, ткани
|
|
|
+подразделяют на стеклоткани, органоткани, углеткани, ткани с металлическими
|
|
|
+волокнами, а также комбинированные ткани.
|
|
|
+
|
|
|
В промышленности используют ткани, имеющие различные типы переплетения.
|
|
|
Наиболее простым и широко применяемым является полотняное переплетение
|
|
|
(рис.~\ref{fig:c1:schemas},~a), где каждая нить основы и утка проходит
|
|
|
@@ -109,14 +54,21 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
(рис.~\ref{fig:c1:schemas},~в) нити основы и утка проходят поочередно сверху и
|
|
|
снизу двух и четырех пересекающих их нитей.
|
|
|
|
|
|
-Ткани подразделяют по ширине: $40\dots75$~см. --- узкие, $75\dots100$~см. ---
|
|
|
-средней ширины, $100\dots150$~см. --- широкие, $150\dots200$~см. --- очень
|
|
|
-широкие. Ткани с шириной менее $7.5$~см. называют ткаными лентами.
|
|
|
+По ширине ткани подразделяют на узкие~--- $40\dots75$~см., средней ширины~---
|
|
|
+$75\dots100$~см., широкие~--- $100\dots150$~см. и очень широкие~---
|
|
|
+$150\dots200$~см. Ткани с шириной менее $7.5$~см. называют ткаными лентами.
|
|
|
+
|
|
|
+По массе квадратного метра ткани подразделяют на легкие~--- до $100~
|
|
|
+\text{г}/\text{м}^2$, со средней массой~--- от $100$ до $500
|
|
|
+\text{г}/\text{м}^2$ и тяжелые~---ткани с массой свыше
|
|
|
+$500~\text{г}/\text{м}^2$.
|
|
|
+
|
|
|
+Толщина тканей, используемых в промышленности определяется волокнистым составом
|
|
|
+и обычно составляет от $0.15$ до $0.45$~мм.
|
|
|
|
|
|
-По массе квадратного метра ткани подразделяют следующим образом: до $100~
|
|
|
-\text{г}/\text{м}^2$ --- легкие, массой от $100$ до $500 \text{г}/\text{м}^2$
|
|
|
---- со средней массой, ткани с массой свыше $500~\text{г}/\text{м}^2$ ---
|
|
|
-тяжелые.
|
|
|
+Для изготовления каркаса изделия, заготовки из ткани или ленты выкладываются на
|
|
|
+оправку с последующей прошивкой слоев по третьей координате, при этом, в местах
|
|
|
+пршивки возможно возникновение разрывов волокон основы и утка.
|
|
|
|
|
|
\subsection{Матричные материалы}
|
|
|
|
|
|
@@ -187,18 +139,18 @@ $900\dots1500^\circ\mathrm{C}$. На этой стадии продолжают
|
|
|
Для пропитки жидкостью применяют термореактивные смолы и пеки. Смолы отличаются
|
|
|
хорошей пропитывающей способностью и легко доступны. При пиролизе эти смолы
|
|
|
образуют стекловидную поликристаллическую матрицу, которая графитизируется при
|
|
|
-температуре около $3000^\circ\mathrm{C}$. Выход кокса составляет $50-56\%$ по
|
|
|
-массе. Процедура пиролиза представляет собой нагрев каркаса, пропитанного
|
|
|
-смолой, до температур порядка $400\dots 600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пиролиза
|
|
|
-также называют карбонизацией. При карбонизации происходит усадка матрицы,
|
|
|
-которая достигает $20\%$ и может привести к разрушению каркаса.
|
|
|
+температуре около $3000^\circ\mathrm{C}$. Процедура пиролиза представляет собой
|
|
|
+нагрев каркаса, пропитанного смолой, до температур порядка $400\dots
|
|
|
+600^\circ\mathrm{C}$. Процесс пиролиза также называют карбонизацией. При
|
|
|
+карбонизации происходит усадка матрицы, которая достигает $20\%$ и может
|
|
|
+привести к разрушению каркаса.
|
|
|
|
|
|
Пеки являются термопластичными материалами. При продолжительном выдерживании
|
|
|
температуры около $400^\circ\mathrm{C}$ в пеках идет образование
|
|
|
высокоориентированной фазы, которая при температуре $2500^\circ\mathrm{C}$
|
|
|
-переходит в графитовую структуру. Выход кокса составляет $50-90\%$.
|
|
|
+переходит в графитовую структуру.
|
|
|
|
|
|
-Пропитка ткани поликристаллической матрицей может проходить под низким или
|
|
|
+Пропитка ткани материалом матрицы может проходить под низким или
|
|
|
высоким давлением. Пропитка под низким давлением с последующей
|
|
|
карбонизацией наиболее распространена. Она проводится при атмосферном или
|
|
|
пониженном давлении, чаще всего в несколько циклов для снижения пористости. При
|