119 lines
9.4 KiB
TeX
119 lines
9.4 KiB
TeX
\chapter{Зависимость деформационных и прочностных свойств тканых УУКМ от
|
||
наличия локальных концентраторов напряжений}
|
||
|
||
\section{Технологические операции изготовления конструкций из тканых УУКМ,
|
||
приводящие к появлению локальных концентраторов напряжений}
|
||
|
||
\subsection{Описание технологического процесса изготовления
|
||
углеродных волокон}
|
||
|
||
Углеродные волокна 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 углеродных волокон
|
||
являются химические волокна и углеродные пеки.
|
||
|
||
Технологический процесс получения углеродных 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 углеродные влокна 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 углеродные 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.
|
||
|
||
Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов
|
||
условно могут быть разделены на две группы: высокомодульные ($E_1^+ = 300\dots
|
||
700$~ГПа, $\sigma_1^- = 2\dots 2.5$~ГПа) и высокопрочные ($E_1^- = 200\dots
|
||
250$~ГПа, $\sigma_1^+ = 2.5\dots 3.2$~ГПа)
|
||
\cite{bib:bulanov, bib:sokolkin}.
|
||
|
||
\subsection{Изготовление тканей}
|
||
|
||
Тканые материалы можно классифицировать по типу переплетения волокон. Выделяют
|
||
следующие типы переплетений: полотняное, ситцевое, сатиновое, саржевое,
|
||
трикотажное. Необходимую для определенной цели анизотропию механических
|
||
характеристик тканых композитов достигают за счет варьирования соотношения
|
||
волокон в основе и утке ткани.
|
||
|
||
Ткань изготавливают на ткацком станке переплетением двух
|
||
взаимно-перпендикулярных систем нитнй пряжи --- основных и уточных. Основные
|
||
нити располагаются по длине куска ткани, а уточные --- по его ширине, от кромки
|
||
к кромке.
|
||
|
||
Можно выделить следуюшие основные технические характеристики ткани:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
\item волокнистый состав;
|
||
\item вид переплетения;
|
||
\item способ отделки;
|
||
\item ширина;
|
||
\item толщина;
|
||
\item масса квадратного метра;
|
||
\item число нитей основы и утка на единицу длины (плотность ткани);
|
||
\item разрывная нагрузка и растяжимость (удлинение) при разрыве.
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
В промышленности используют ткани, имеющие различные типы переплетеения.
|
||
Наиболее простым и широко применяемым является полотняное перепелетение
|
||
(рис.~\ref{fig:schemas},~a), где каждая нить основы и утка проходит поочередно
|
||
сверху и снизу пересекающихся нитей.
|
||
|
||
\begin{figure}[h]
|
||
\includegraphics[width=17cm]{all_structs}
|
||
\caption{Схемы типов переплетения: а) полотняное, б)
|
||
сатиновое, в) саржевое $2\times2$}
|
||
\label{fig:schemas}
|
||
\end{figure}
|
||
|
||
Сатиновое переплетение (рис.~\ref{fig:schemas},~б) получают путем перекрытия
|
||
одной нитью утка четырех нитей основы. При саржевом переплетении
|
||
(рис.~\ref{fig:schemas},~в) нити очновы 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 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.
|
||
|
||
\subsection{Матричные материалы}
|
||
|
||
\section{Экспериментальные закономерности влияния локальных концентраторов
|
||
напряжений на деформационные и прочностные свойства тканых УУКМ}
|
||
|
||
\section{Выводы к первой главе} |