углеродные ткани для композитов

УГЛЕРОДНЫЕ ТКАНИ ДЛЯ КОМПОЗИТОВ
Соискатель О.В. Парфенов
Научный руководитель проф. С.Д. Николаев
Углеродные ткани очень широко используются рот создании
композитов. В работе [1] сообщается об использовании вискозного и
арамидного волокна для выработки тканей, подвергающихся карбонизации
в течение 16 мин при t = 300 0C. Полученный огнестойкий материал
используется в самолетостроении.
Термостойкие ткани [2] вырабатываются из комбинированных
нитей, которые состоят из сердечника – металлической проволоки,
оплетенного нитью, содержащей до 50-80 % керамического волокна и 2050% асбестового волокна. Затем комбинированная нить оплетается
стеклянной нитью.
Технические ткани из керамического волокна обладают высокой
устойчивостью к химическим и температурным воздействиям (до 1400о)
[3].
Огнестойкие ткани [4], используемые для обивки сидений самолетов,
вырабатывают двухслойными, нижний слой состоит из огнестойких
компонентов (углеродных), а верхний слой из обычной пряжи. В патенте
[5] предcтавлена огнезащитная ткань, которая предназначена для
использования при пошиве специальной технической одежде для
работников МЧС и МИНобороны. Рабочая одежда защищает от
повышенного теплового излучения. В качестве искусственных волокон
используют огнестойкие вискозные волокна.
Отмечено [6] расширение применения тканей из высокомодульных
волокон, обладающих высокой разрывной нагрузкой, низким удлинением
и высоким сопротивлением сдвигу и растяжению.
Сообщается о широком применении арамидных и углеродных
волокон в авиационной промышленности [7]. Во Франции [8] углеродные
волокна и нити широко используют для изготовления конструкционных
материалов, применяемых в качестве конструкционных элементов
летательных аппаратов.
Итальянская фирма SAATJ [9] широко использует высокопрочные
арамидные волокна для тканей, предназначенных для армирования
композиционных материалов.
Указывается на возможность изготовления многомерных тканей из
стеклянных, углеродных, металлических волокон и их смесей. В таких
тканях кроме основных систем нитей основы и утка используются
дополнительные прижимные нити, проходящие через все слои ткани и
переплетающиеся с заданным количеством слоев. В зависимости от
назначения тканей системы основных и уточных нитей располагаются под
углом от 60 до 90о.
В работе [10] рассматриваются вопросы улучшения свойств
технических тканей из стекловолокна, графитового, углеродного,
металлического и керамического волокна за счет комбинирования
различных волокон в ткани.
В работах [11, 12] сообщается о возможности комбинирования
термопластичных и минеральных волокон (стеклянных, углеродных) в
производстве технических тканей.
Использование термопластичных нитей дает возможность получать
армирующий материал, в котором уточные нити располагаются под углом
в 45о к основным нитям [13]. Ткань изготовляется из толстых
высокомодульных уточных нитей и тонких термопластичных основных
нитей. Затем на ширильной раме изменяют ориентацию уточных нитей.
Полученный армирующий материал может быть соединен с другим
текстильным материалом путем сшивания или склеивания.
Графитовые и углеродные нити используют для получения тканей с
высокой электропроводностью [14]. Для изготовления тканей в основе и
утке используют комплексные нити или жгуты. Так как графит имеет
очень высокое электрическое удельное сопротивление, то материалы из
него не предохраняют от определенных видов электростатических зарядов,
электромагнитной индукции. Поэтому при изготовлении тканей
используют жгуты углеродных нитей, обкрученные тонкой металлической
(алюминиевой) нитью. Ткани используются для изготовления
конструкционных материалов применяемых в качестве элементов
летательных аппаратов.
Фирма Brochier (Франция) вырабатывает технические ткани из
неорганических волокон: стеклянных, угольных, кремниевых и других.
Стеклянные ткани, обладающие высокой огнестойкостью, используются в
астронавтике [15].
Углеродные и графитовые волокна и нити производятся в ряде стран
и известны под разнообразными фирменными названиями: торнель
(США), модмор (Англия), торейка, карболон (Япония) и др.Они
отличаются малой физической плотностью (1,5-2 г/см3), высокой
прочностью (разрывное напряжение 1 МПа и более), малым разрывным
удлинением (0,5-0,8 %), высокой хемостойкостью. В условиях длительного
нагрева (температура 400оС и более) сохраняют свои механические
свойства, негорючи, электропроводны. Нити перерабатывают в ткани,
волокна применяют для армирования пластиков.
Технологичность переработки стеклянных, базальтовых, углеродных
и других нетрадиционных нитей повышается при использовании
предварительной их обработки. Например, шлихтование [16] или
обкручивания углеродных нитей синтетическими высокомодульными
нитями (СВМ) [17], а также сочетанием различных видов упрочняющих
нитей с другими, которые после последующей обработки ткани легко
удаляются. В качестве последних могут применяться вискозные, ацетатные
нити и хлопчатобумажная пряжа [18, 19].
При переработке углеродных нитей возникают технологические
проблемы. Возникают они: во-первых, из-за неравномерности свойств
исходных материалов (углеродных волокон, жгутов, нитей), их
значительной жесткости, практически отсутствующей стойкости к
истиранию и изгибающим нагрузкам; во-вторых, из-за циклически
повторяющихся фрикционных воздействий направляющих ткацкого
оборудования; напряжений, возникающих при растяжении, изгибе и
ударных нагрузках при подготовке нитей основы и утка, и в процессах
ткачества.
Опыт работы показал, что углеродные нити не обладают
достаточными вязкоупругими свойствами, позволяющими переработать
эти нити без разработки и уточнения оптимальных технологических
параметров. Выбор их определяется в каждом конкретном случае в
зависимости от структуры и технических показателей конечного изделия –
композитного материала (КМ). В любом КМ ткани являются армирующей
составляющей, расположение в которой нитей и даже волокон оказывает
существенное влияние на прочностные характеристики композитов и
однонаправленных материалов [20-22].
При разработке технологии изготовления углеродных тканей
необходимо решать компромиссную задачу. Так, например, увеличение
крутки нитей улучшает условие их текстильной переработки, в тоже время
реализация их прочностных показателей снижается.
Особое место занимают композиты с различными типами матриц полимерной, металлической, углеродной, керамической, наполненные
углеродными волокнами, которые играют роль армирующих компонентов,
а также наполнителей изменяющих такие характеристики матричных
материалов, как тепло- и электропроводность и другие [23].
Впервые
углеродные
волокна
были
получены
из
полиакрилонитрильных волокон японскими, а затем и английскими
учеными. Данное сырье позволяет формовать высококачественные
волокна, минуя процесс горячей вытяжки. Полиакрилонитрил и сегодня
остается основным исходным материалом для выпускаемых углеродных
волокон.
По своим механическим характеристикам семейство углеродных
волокон «высокопрочные» (НТ) и «высокомодульные» (НМ).
Высокопрочные углеродные волокна получают в результате
низкотемпературной обработки (ниже 1400 °С), а высокомодульные при
высокой температуре – (1800-2700°С) [24].
В настоящее время углеродные волокна используются в самых
разных областях человеческой деятельности – от производства спортивных
товаров до использования в аэрокосмической технике.
У предварительно окисленных углеродных волокон ниже
содержание углерода (50%), они дешевле, обладают высоким
влагопоглощением, огнестойкостью и их можно обрабатывать на
традиционном текстильном оборудовании [25].
Ассортимент УВМ включает: штапель различной длины, в том числе
кноп, крученые и некрученые нити и жгуты различной линейной
плотности, тканые двумерные и многомерные изделия.
Для обеспечения изотропии свойств композитов, полученных
армированием сильно анизотропных углеродных нитей, изготавливают
полимерные тканые материалы с различным расположением нитей:
ортогональным, многомерным, радиально-спиральным и другим [26].
Уникальное сочетание легкости, гибкости, высоких прочности и
вязкости разрушения, характерное для текстильных армирующих структур,
определило преимущества их применения для широкого спектра изделий.
Оживление в последнее время интереса к текстильным конструкционным
композитам – прямое следствие острой необходимости в значительном
увеличении внутри- и межслоевой прочности и сопротивления
распространению повреждений изделий из конструкционных композитов. С
расширением применения элементов конструкций из композитов
появляются все новые возможности использования текстильных
армирующих каркасов ввиду достаточно высокой степень взаимодействия
волокон между собой по всему объему композита и способности каркаса
по завершении процесса формования принимать форму изделия с
размерами, близкими к чистовым [27].
Несмотря на то, что способы получения сложных текстильных
структур определены довольно давно, технология изготовления изделий
из композитов на их основе развивается медленно. Как следует их самого
их названия, текстильные конструкционные композиты, предназначенные
для изготовления несущих элементов конструкций, представляют собой
жесткие материалы на основе армирующих каркасов, изготовленных по
технологии текстильных материалов, и матрицы. В настоящее время
текстильные конструкционные композиты представляют собой небольшую,
но технически важную часть быстро развивающейся области текстильных
композитов [28].
ЛИТЕРАТУРА
1. Britist fabric could prove a live – saver, «Text Mon», 1984, july, 9 .
2. Термостойкая ткань. Сэнда Масанори, Ниппон гурасу файба
кочёк.к. Заявка 58-46145, Япония. Заявлено 13.09.81 № 56-144255,
опубликовано 17.03.83 МКИ Д 030 15/12, Д 02G 3/04.
3. Производство технических тканей. Industrial fabric progress. Hary
A.H. «Text Asia», 1982, 13, №11, 113-115.
4. Огнестойкие ткани. Hame – rescstant fabrics. Bouglas Allen Brown;
British Replin stg.
5. Огнезащитная ткань. Пат.2309204, Россия, МПК D 03 D 15/12
(2006.01) ОАО Каменскволокно, Михайлова М.П., Мальков Л.А. и др.
№2005140613/12; Заявл.26.12.2005; опубл. 27.10.2007. Рус.
6. Производство текстильных материалов технического назначения.
Unconventional industrial fabric formind, Seidal Hon E «Text Ind»(USA) 1982,
146, № 11, 55-58.
7. Технические ткани. A review on industrial textiles Banerjce Annet
«Indiam Text» 1986, 96, № 7, 108-111.
8. Сравнительный анализ применения лент и тканей из углеродных
нитей в производстве композиционных материалов. Technical and economic
comparison of corbon fiber tape and woven fabrie applicalions, Hilaire G,
Breens G, «TCAS.Proc,1982: 13th. Color Int.Coune. A eron Sei IAIAA Aireraft
Sejst and Technol, Conf, Seattle, 22-27 Ang, 1982 vol 2 » S.I, Sa, 1164-1172.
9. Технические ткани. Hi-tech textiles, Jeary R.H. «Text Asia», 1984,
15, №1, 68-71.
10. Компоненты волокнистых смесей для технических тканей. Industrial fabrics: condidates for composites seiden seon E “ TextInd” , 1983, 147,
№9, 102, 104, 106.
11. Ткани из химических и минеральных волокон. Мацумото
Киенти. « Сенсёку кочё. Dyeng Ing.», 1983, 31,№ 11, 524-538.
12. Армирующий материал. Armature textill ufilisable pour la’ realization de complexes Hrafifues. Iouresan Andre. Stables Fils D. Auguste Chomarat
et cie. Заявка 2577946. Франция. Заявлено 22.02.85 № 8502783,
опубликовано 29.08.86 МКИ Д 03 Д 15/00, В. 32 В 17/04.
13. Армирующий материал и способ его изготовления. Armature textile ufilisable la realization de complexes stab les fils D’ Auguste Chomorat et
cia Заявка 2577947. Франция. Заявлено 22.02.85 № 8502784 опубликовано
29.06.86 МКИ Д 0.3 Д 15/00. В 32 В 17/04.
14. Ткань из графитовых нитей с высокой электропроводностью.
High conductivity graphite material with electrically conductive filaments
wrapped a round warp and fill elements.Zwen Zordan. Ziberite. Corp. Пат.
4590122. США. Заявлено 18.12.80. № 217707 Опубликовано 20.05.86 МКИ
В.32 В 7/00. НКИ 42 в/260.
15. Технология изготовления технических тканей. Je tissage : naweaux debouches pour les materiaux composites Bompard B “Mater.et techn.”
1982, 70, № 5-6, 135-138.
16. Towne M.K., Dowall M.B. Ткани из волокна, содержащих
углерод, их свойства и области применения, з Textilia 1977, №5, S 53-58.
17. Отчеты по научно-исследовательской работе, МТИ, кафедра
ткачества. 1981-1988. (ДСП).
18. Zennax- Kerr R. Cloths atcharcoal Ткани из углеродного волокна
Textile Asia 1983, 14, № 4, S 47-48, 57.
19. Разработка тканых полуфабрикатов для композиционных
материалов с термопластичной матрицей. Раздел 1. Разработка технологии
изготовления стеклокапроновой ткани «Топас» Отчет МТИ имени А.Н.
Косыгина № 30-15-87, ДСП.
20. Асланова M.С. Влияние различных факторов на механические
свойства стеклянных волокон // Стекло и керамика, 1960, №11.
21. Сумарукова Р.И. Разработка оптимальных параметров строения и
изготовления многослойных кремнеземных тканей для теплозащитных
стеклопластиков. Дис. … канд. техн. наук, 1977 (ДСП).
22. Жигун Е.Г. Влияние искривления волокон на жесткость и
прочность композитных материалов. Автореферат кандидатской
диссертации, Рига, 1969.
23. Теория процессов, технология и оборудование ткацкого
производства./С.Д.Николаев, П.В.Власов, Р.И.Сумарукова, С.С.Юхин. -М.:
24. Теория процессов, технология и оборудование подготовительных
процессов ткачества. /С.Д.Николаев, Р.И.Сумарукова, С.С.Юхин. -М:
Легпромбытиздат. 1993.
25. Ткачество. / В.А.Гордеев, П.В.Волков. - М.: Легкая и
пищеваяпромышленность, 1984.
26. Проектирование ткацких фабрик /под ред. д-ра техн. наук проф.
П.В. Власова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.
27. Проектирование ткацких фабрик. / Э.А.Оников. - М, 2006.
28. Тканые конструкционные композиты / под ред. Т.В.Чу и Ф.Ко. М: Мир, 1991.