CC BY
51
УДК 677.024; 677.074 В. Т. Сергеев
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНОЙ ТКАНИ
Ключевые слова: многослойная ткань, уработка нитей, порядок фазы строения, основа, уток, угол наклона нитей, коэффициенты смятия.
В статье исследована структура многослойной комбинированной ткани из кварцевых и стеклянных нитей, получены микросрезы тканей и определены основные параметры структуры тканей: коэффициенты смятия нитей основы и утка в ткани в различных слоях, углы наклона основных и уточных нитей в ткани, высоты волн изгиба, порядок фазы строения тканей.
Keywords: layered fabric, arabatka threads, the order of phase structure, Foundation, ducks, the angle of the threads, the odds of
bearing failure.
The article examines the structure of the multilayer composite fabrics of quartz and glass fibers, the obtained microsize tissues and determined the basic parameters of the tissue structure: ratios of buckling of the warp and weft in the fabric in the different layers, the tilt angles of main and weft threads in the fabric, the height of waves bending, the order of phase structure of tissues.
Для получения многофункциональных композитов, обладающих наряду с высокими прочностными свойствами и теплофизическими показателями, значительным электрофизическим сопротивлением, а также абляционной стойкостью и возможностью работать в агрессивных химических средах - для всего этого необходимо применение нескольких исходных материалов в определенном сочетании и пропорциях.
Известна взаимосвязь свойств волокон и структуры волокнистых материалов с конечными показателями полученного на их основе композита [1 - 5]. Полимерная матрица во многом определяет технологические свойства углепластиков и отвечает за сохранность требуемого комплекса эксплуатационных свойств [6].
Для решения поставленной технической задачи предлагается использование двух видов нетрадиционных волокон: кварцевого и углеродного.
Высокие термические и механические показатели, влаго- и хемостойкость делают возможным их применения в экстремальных условиях. Удельное электрическое сопротивление кварцевого волокна обеспечивает радиопрозрачность летательных объектов, а углеродные волокна обладают уникальным свойством - абляцией.
Для получения многофункциональных композитов, соответствующих определенным эксплуатационным условиям, выбор видов волокон является важным, но не единственным условием решения поставленной задачи. Структура армирующего материала в виде многослойной ткани, где применяется последовательный способ соединения слоев нитями этих же слоев, обеспечивает стойкость в трансверсальном направлении при воздействии ударных нагрузок и высокоэнергетического высокоскоростного проникающего воздействия [3, 7-9].
При выборе структуры многослойной комбинированной полой ткани (МКПТ) стремились получить такое расположение нитей, чтобы внешняя поверхность полой ткани была закрыта углеродными нитями, а внутренние слои были образованы кварцевыми нитями, при этом для обеспечения равномерности строения ткань вырабатывалась из нитей
практически одинакового диаметра. Но так как плотность кварцевых и углеродных волокон различна, то с учетом этого для выработки МКПТ использовались кварцевые нити линейной плотности 612 текса (КС11-68 текс х3х3) и углеродные нити 410 текса (Урал Н /205-22) с величиной крутки (50-70 кр/м). Плотности ткани по основе и по уику в слое были в пределах 42±2 и 45±2 нит/дм соответственно.
Уменьшение степени кручения нитей (от 150 до 50 кр/м), а, следовательно, уменьшение их деформации, способствует сохранению прочности исходных волокон и нитей, а также повышению прочностных и тепло-физических показателей композитов [3]. Использование некрученых нитей (0 кр/м) в ткачестве затруднено из-за сочетания их высокого модуля упругости и малой деформации до разрыва, что характеризует кварцевые и углеродные волокна как хрупкие.
Для формирования многослойной комбинированной ткани в качестве базовых переплетений были выбрано сочетание сатинового переплетения с производным от полотняного.
Для выбранного переплетения разработан алгоритм формирования полой комбинированной ткани за счет последовательного послойного прокладывания уточных нитей из верхнего полотна в нижнее и обратно. В результате получена цельнотканая многослойная полая ткань, внешняя поверхность которой образована углеродными нитями, а внутренняя поверхность полой ткани на глубину трех слоев сформирована кварцевыми нитями [10-12].
Расположение нитей в многослойных комбиниро-ванных тканях имеет существенное значение для получения представления о равномерности их структуры и прогнозирования прочностных характеристик композитов, полученных на их основе.
На рис. 1 представлена схема разреза многослойной комбинированной ткани.
Изменяющееся натяжение основных и уточных нитей является неотъемлемой частью процесса ткачества, в результате которого появляется взаимное давление нитей всех систем, приводящее к смятию их в тканях. По сравнению с нитями из
натуральных волокон малокрученые углеродные и кварцевые нити в наиб'ольшей степени подвергаются деформации, в результате чего в поперечном сечении они принимают форму "сплющенного" эллипса (рис.2). При этом даже визуально заметно, что во внешних слоях и внутренних нити ведут себя по-разному. На срезе (рис.2а) кварцевые нити утка под дйствием давления основных нитей как бы «рассыпаются» на три стренги (по схеме кручения последний переход в 3 сложения).
Рис. 1 - Схема разреза многослойной комбинированной ткани, спроектированной из углеродных и кварцевых нитей
основных нитей, которое достигает максимума во внешних слоях МКПТ.
Коэффициенты смятия по вертикали колеблются в пределах от 0,484 до 0,572 и имеют обратную зависимость по отношению к коэффициентам по горизонтали. Интересно отметить, что произведение коэффициентов в рассматриваемых направлениях близко к 1 (0,95-1), что соответствует общим представлениям о деформации нитей в ткани [13] и свидетельствуют о значительном уплотнении волокон в нити.
Как известно, расположение армирующего элемента, отличающееся от прямолинейного, снижает степень реализации его прочности в композите. [14]. Многослойные ткани, в данном случае МКПТ, являясь армирующим материалом многофункционального композита, имеют структуру, полученную на стадии процесса ткачества и переходящую практически без изменения в конечный продукт. Отсюда следует значимость структуры разрабатываемой ткани, которую, помимо объемного заполнения, можно охарактеризовать углом наклона нитей (<а) и высотой волны изгиба нитей обеих систем (Ио, Иу).
Как видно из рис. 3 в МКПТ основные нити во всех слоях принимают волнообразную форму с некоторым сдвигом в вершинах связи с утком, особенно, если сравнивать расположение углеродных и кварцевых нитей.
б
Рис. 2 - Фотографии срезов МКПТ: основных; б - вдоль уточных нитей
а - вдоль
По фотографиям срезов установлено, что коэффициенты смятия нитей по горизонтали (|ог, |уг) в 3-4 раза больше, чем по вертикали (|ов, |ув). При этом коэффициенты смятия по горизонтали основных углеродных и кварцевых нитей близки по своей величине (1,849-1,731). Однако эти показатели отличаются у уточных нитей: углеродных |уг = 2,017/2,035-1,905 и кварцевых г|уг = 1,784/2,0601,545. (табл.1).
Таблица 1 - Коэффициенты смятия нитей в многослойной комбинированной ткани
в
Рис. 3 (а,б,в) - Фотографии срезов МКПТ в направлении основы, демонстрирующие различие в характере изгиба углеродных и кварцевых нитей
Значения углероднх нитей
основных уточных
Лог Лов Луг Лув
Среднее 1,849 0,572 2,017 0,484
тах/тт 2,020/1,640 0,720/0,448 2,035/1,905 0,547/0,429
Значения кварцевых нитей
основных уточных
Лог Лов Луг Лув
Среднее 1,731 0,554 1,784 0,536
тах/тт 1,897/ 1,590 0,650/ 0,440 2,060/ 1,545 0,636/ 0,443
По-видимому, более плоская форма уточных нитей является результатом воздействия натяжения
В табл. 2 представлены результаты обработки срезов МКПТ, которые свидетельствуют о значительном изгибе основных углеродных нитей <а = 22,8°, что в 1,3 раза больше, чем у кварцевых нитей.
Уточные углеродные нити также имеют волнообразную форму с высотой волны Иу = 0.45 мм, что в 3раза меньше,чем основных Ио и углом наклона всего <а = 12,0° (рис. 3б). При этом кварцевые нити в различных слоях многослойной ткани имеют различное расположение: во внутренних слоях изгиб характеризуется <а = 7,8°, а во внешнем нижнем слое наблюдается практически
прямолинейное расположе-ние нитей утка при высоте волны изгиба h = 0-0,1 мм.
Таблица 2 - Угол наклона нитей основы и утка в многослойной комбинированной ткани
*/ внутренние слои
Высота волны изгиба основных ^ и уточных нитей ^ во всех слоях ткани резко отличаются по величине. Соотношение высот волн ф = И^у составляет для углеродных нитей 3,82, для
Полученные значения параметров строения многослойной комбинированной ткани, такие как: коэффициенты смятия нитей обеих систем, углы наклона и высоты волн изгибов нитей в ткани, порядок фазы ее строения - дают представления о ее структуре и могут быть использованы при разработке медодов проектирования тканей технического назначения с заданными своствами.
Установлено, что ПФС в различных слоях МКПТ несколько отличается: во внешнем верхнем слое (чистый углерод) и внутренних слоях (переходный слой: углерод +кварц; и чистый кварц) ПФС составляет 7,35-7,16, а во внешнем нижнем слое (чистый кварц) приближается к максимому 8,7.
Литература
1. Буров А.К., Андреевская Г.Д. Стекловолокнистые анизотропные материалы и их техническое применение. -М.: АН СССР. 1965.
2. Перепелкин Е.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты.- СПБ: Научные основы и технологии. 2009. -360 с.
кварцевых нитей внутренних слоев 3,54-3,34, а для кварцевых нитей основы и утка внешнего слоя 25,4 (см. рис. 5.9, табл. 5.9). Это позволяет предположить,что ПФС в различных слоях четырехслойной ткани будет не одинаков (рис. 4).
Используя соотношение высот волн, можно рассчитать обобщенный показатель строения ткани -порядок фазы строения (ПФС) [13, 15-17].
В результате расчета установлено, что ПФС во внешнем верхнем слое (чистый углерод) и внутренних слоях (переходный слой: углерод + кварц; и чистый кварц) составляет 7,35-7,16, а во внешнем нижнем слое (чистый кварц) приближается к максимому 8,7 (табл. 3).
б
Рис. 4 - Фотографии срезов МКПТ, демонстрирующие высоты волн изгиба нитей: а -вдоль основы; б - вдоль утка
3. Сумарукова Р.И. Определение рационального строения и технологических параметров выработки многослойной кремнеземной ткани для теплозащитных стеклопластиков: Дис. ... канд. техн. наук.- М., 1976.-189 с.
4. Асланова М.С. Влияние различных факторов на механические свойства стеклянных волокон. Стекло и керамика, 1960, №11.
5. Perepelkin K.E.. The textile institute's World Conference. Structural mechanics of polymeric fibers. Review and new conceptions. Tampare, Finland. Proceedings.V.1. Tampare, 1996.-p.19-28
6. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. - СПб: Научные основы и технологии, 2010. - 822 с.
7. Райков Р.В. Разработка и исследование многослойных стеклянных тканей, предназначенных для изготовления конструкционных стеклопластиков. Дис. . канд. техн. наук.- М.,1970.-192 с.
8. Павлов В.В., Краснов Л.Л., Матвеева И.А, Тихомирова Р.С., Райков Р.В. Технология изготовления и свойства стеклопластиковых изделий на основе многослойных тканей и чехлов трехмерного переплетения // Сборник статей. Армированные пластики в конструкциях. - ОН-ТИ, 1971. - С. 26-35
№ п/п основных уточных
глеродных кварцевых углеродных кварцевых*
1 19,5 19,1 9,2 6,5
2 16 ,3 16 ,6 11,4 8,2
3 18,5 14,5 9,5 9,5
4 16,3 15,8 11,8 9,3
5 29,9 18,5 12,3 7,8
6 25,1 16,7 9,8 6,2
7 22,2 16,7 13,2 8,2
8 28,3 18,3 12,2 8,3
9 27,5 17,5 14,3 9,5
10 18,2 18,3 15,8 5,3
Среднее значение, град 22,8 17,3 12,0 7,9
Среднее отклонение, град 4,3 1,2 1,6 2,2
Стандартное отклонение выборки, град 5,0 1,5 2,1 1,5
Коэффициент вариации,% 22,0 8,6 17,8 18,5
Таблица 3 - Показатели изгиба нитей в многослойной комбинированной ткани
Слой в многослойной ткани Сочетание нитей Высота волны изгиба нитей h, мм ПФС
основа уток основы утка
Внешний верхний углерод углерод 1,72/ 1,3-1,05 0,45/0,54-0,39 7,35
Внутренний углерод кварц 1.31/1,4-1,2 0.37/0,42-0,3 7,23
кварц кварц 1,27/1,4-1,02 0.38/0,42-0,29 7,16
Внешний нижний кварц кварц 1,27/1,3-1,1 0,05/0,1-0,09 8,70
9. Геллер З.Ц. Разработка технологических параметров выработки многослойных стеклянных тканей. Дис. ... канд. техн. наук.- М., 1989.
10. Сумарукова Р.И., Сергеев В.Т., Павлихина И.Ю. Разработка геометрических моделей строения многослойных тканей // Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ - 2009): тезисы докладов. - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2009. - С. 82-83.
11. Сергеев В.Т., Николаев С.Д., Сумарукова Р.И. Технология изготовления многослойной бикомпонентной ткани // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново: ИГТА, 2012. - №6.- с. 81-85
12. Сергеев В.Т. Технологические особенности изготовления многослойной бикомпонентной ткани. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 18. - М., 2012г. - 5 с.
13. Дамянов Г.Б., Бачев Ц.З., Сурнина Н.Ф. Строение ткани и современные методы ее проектирования.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1980. - 240 с.
14. Тарнопольский Ю.М. и др. Пространственно-армированные композитные материалы // Справочник.-М.: Машиностроение,1987.-510 с.
15. Новиков Н.Г.- О строении ткани и о проектировании ее с помощью геометрического метода // Текстильная промышленность.-1945.-.№1 -С.57-58.
16. Николаев С.Д., Мартынова А.А., Юхин С.С., Власова Н.А. Методы и средства исследования технологических процессов в ткачестве. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003г. - 336 с.
17. Николаев С.Д. Прогнозирование изготовления тканей заданного строения / Учебное пособие. - М.: МГТА, 1989. - 62 с.
© В. Т. Сергеев - генеральный директор АО «ТРИ-Д», соискатель кафедры проектирования и художественного оформления текстильных изделий МГУДТ, [email protected].
© V. T. Sergeev, General Director of AO "TRI-D, graduate school of design and art-nogo design textiles MSUDT, [email protected].
