Схемы армирования в ПКМ

В качестве арматуры, в основном, используются ткани и ровинги из волокон: стеклянных, углеродных, органических, базальтовых, борных. Ткани изготавливают на ткацких станках переплетением продольных (основа) и поперечных (уток) нитей.

Строение тканей характеризуется толщиной нитей, видом переплетения, плотностью, а также прогнутостью нитей основы и утка, характером поверхности. Важной характеристикой является схема переплетения нитей. Выделяют четыре основных типа плетения: полотняное, сатиновое, саржевое, трикотажное.

Каждое переплетение нитей строится из определенного числа нитей основы и утка. Наименьшее число нитей, после которого повторяется порядок их взаимного перекрытия, называется раппортом. Порядок взаимного расположения перекрытий основы и утка для каждого ряда может быть выражен дробью, числитель которой показывает число подряд расположенных основных перекрытий, а знаменатель – уточных. Число возможных переплетений нитей теоретически беспредельно, а практически ограничиваются технологическими возможностями и соображениями целесообразности.

На схемах переплетение изображают системой клеток: черными – основные перекрытия, белыми – уточные. Каждый вертикальный ряд клеток изображает нить основы, горизонтальный – нить утка.

Полотняное (или гарнитуровое) – наиболее простое, когда каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху, а затем снизу пересекающей ее нити основы, как изображено на рис. 1.3,а, в верхней части которого показана схема переплетения нитей, а в нижней – конструкторская диаграмма;

сатиновое– имеет длинные перекрытия нитей основы (рис.1.3,б);

саржевое – каждая нить основы и утка проходит поочередно сверху и снизу двух или более пересекающих ее нитей (рис.1.3,в);

трикотажное – это вязаное переплетение, при котором петли с сильным искривлением нитей взаимно зацепляются. Существует два типа вязаных материалов (рис.1.3,г) – уточные (вверху) и основовязаные.

Каждому типу плетения тканей соответствуют свои механические и технологические свойства. Например, ткань полотняного плетения придает композиту высокую прочность в двух ортогональных направлениях. В то же время она наименее гибкая из всех типов тканей и плохо поддается укладке на поверхности сложной формы без складок.

Армирование тканью сатинового плетения обеспечивает большую прочность и жесткость вдоль основы и меньшую в направлении утка.

Ткани саржевого переплетения отличаются большей податливостью волокон в плоскости ткани, тем самым они более технологичны при изготовлении изделий со сложной поверхностью.

Рис.1.3. Основные виды тканой арматуры:

а – полотно; б – сатиновое переплетение (вверху 4/1, внизу - с длинным

перекрытием 7/1); в – саржа (2/2); г – трикотаж (вверху – гладкая уточно-

вязаная структура, внизу – основовязаная структура)

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 внешнего нагружения путем перераспределения напряжений за счет изменения анизотропии ПКМ. Регулирование анизотропии свойств достигается выбором 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.1.4 показаны типовые схемы армирования. При укладке всех волокон параллельно оси (укладка 0°, рис.1.4,а) получается однонаправленный ПКМ. Такое армирование осуществляется с помощью ровинга. Если слои ровинга уложить во взаимно перпендикулярных направлениях, то получается структура, изображенная на рис.1.4,б, – укладка под 0° и 90°.

Рис.1.4. Схемы армирования: а – 0°; б – 0°, 90°; в – 0°, 45°, -45°

На рис.1.4,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.1.4,б,в могут быть реализованы и с помощью тканей различного плетения.

Схема армирования оказывает большое влияние на прочность композитов при различных условиях нагружения. Например, прочность однонаправленного ПКМ с непрерывными волокнами, разрушение которых наступает одновременно с разрушением связующего, определяется зависимостью

,

где и – разрушающее напряжение армирующих волокон и связующего соответственно;

– объемная доля волокон.

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.1.4,б) обеспечивает рациональное восприятие нагрузки, действующей в разных направлениях.

При наличии сдвигающих усилий (рис.1.4,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 . 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. Различные профили армирующих волокон показаны на рис.1.5 [20].

Рис.1.5. Формы сечений армирующих волокон

Искривление волокон в изделии, например, из-за 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.