Структура армирующих каркасов. Схемы армирования

Композиционные материалы с непрерывными волокнами имеют высокую прочность при ориентации волокон в направлении действующей силы, но резко выраженную анизотропию всех механических свойств. Их трансверсальная прочность настолько низка, что они практически не применяются в тех случаях, когда нагрузки действуют не только в одном направлении, то есть почти во всех технически важных конструкциях. Конструирование изделий из КМ с оптимальными расположениями армирующего наполнителя является важным элементом технического использования таких материалов. Например, при конструировании лопаток турбин больших турбовентиляторных двигателей часть наполнителя располагают под углом к оси лопатки. Такая конструкция обеспечивает одинаковую жесткость лопаток при изгибе и делает их устойчивыми к аэродинамическому флаттеру. Однако доля так расположенного наполнителя не должна быть слишком большой, чтобы не уменьшать продольную прочность и жесткость лопаток ниже уровня, необходимого для сопротивления центробежным силам, возникающим при их вращении. Меняя расположение волокон, схему армирования, можно менять физико-механические свойства КМ.

Непрерывные волокна, имеющие форму сечения отличную от круглой, называются профильными. Применение волокон различных профилей позволяет уменьшить плотность пластиков, увеличить удельную жёсткость и прочность при сжатии, повысить теплоизолирующие и диэлектрические свойства, что в свою очередь дает возможность увеличить плотность упаковки волокон в КМ и повысить прочность пластика. Также производятся полые волокна, которые позволяют снизить плотность композиционного армированного материала.

В зависимости от схемы армирования волокнистые КМ подразделяют на:

- однонаправленные (анизотропные) – имеют различия в свойствах в продольном и трансверсальном (поперечном) направлениях;

- ортотропные – угол армирования 90о;

- с планируемой анизотропией свойств. Зная реальные нагрузки, можно уложить наполнитель так, чтобы обеспечить необходимый уровень свойств;

- изотропные – наполнитель в виде коротких волокон, холстов, матов расположен хаотично.

По расположению структурных элементов (волокон, нитей) армирующие волокнистые наполнители (АВН) могут быть условно разделены на следующие виды:

- 1D – однонаправленные (нити, ленты, жгуты и другие);

- 2D – двунаправленные (тканые, вязаные или плетеные полотна);

- 3D – трехмерно ориентированные (трехмерные ткани и другие);

- с хаотическим расположением волокон или нитей в плоскости (волокнистые слои, холсты, большинство нетканых материалов, бумаги);

- с хаотическим расположением волокон в трехмерном пространстве (специальные текстильные структуры).

Основные варианты расположения волокон в армирующих наполнителях, и соответственно в полученных на их основе композитах приведены на схемах рисунка 5.

Рисунок 4 – Основные схемы расположения дисперсных наполнителей/волокон/нитей в различных видах АВН и армированных полимерных материалах

Используя различные виды АВН и технологические приемы их расположения в волокнистом композите, можно оптимизировать расположение армирующих волокон или нитей и добиться такого наиболее рационального варианта, при котором большая часть армирующих волокон расположена в направлении главных действующих механических напряжений в условиях эксплуатации [5].