2.2.1 Армирующие каркасы

Для армирования в УУКМ используют углеродные волокна (УВ), на основе которых формируют пространственные структуры, обеспечивающие направленную анизотропию свойств конечного материала. В достижение требуемых физико-механических свойств УУКМ свой вклад вносят не только характеристики УВ, но и тип пространственного армирования композита, изменение которого оказывает влияние на процесс заполнения каркаса углеродной матрицей, что, в свою очередь, отражается на свойствах материала в целом.

Широкий спектр существующих типов углеродных волокон позволяет получать материалы с уникальным набором теплофизических, химических, механических характеристик в сочетании с возможностью управления анизотропией перечисленных свойств. Каждый тип волокна обладает индивидуальными свойствами, влияющими на технологические параметры изготовления композита.

По уровню механических характеристик УВ подразделяются на низкомодульные волокна с модулем Юнга до 7*10⁴ МПа и высокомодульные с модулем (15·10⁴…45·10⁴) МПа. В работе волокна подразделяют на три основные группы: высокомодульные, высокопрочные и волокна с повышенным удлинением (табл. 5). Механические и физико-химические свойства УВ в большой степени зависят от типа исходного сырья и технологии их изготовления, включающей в себя три стадии подготовку волокна, карбонизацию при температурах до 1500 ºС и высокотемпературную обработку (графитацию) при температурах до 3000 ºС.

Конечными температурами обработки и обусловлено разделение УВ на высокопрочные, с температурой обработки до 1500 ºС, и высокомодульные, конечной стадией изготовления которых является графитация. В настоящее время известны способы получения углеродного волокна на основе целлюлозы (ГТЦ-волокно), полиактрилонитрильного волокна (ПАН-волокно), поливинилспиртового волокна (ПВС-волокно), песков (нефтяного и каменного), лигнина, а также фенольной смолы.

Хорошая смачиваемость УВ органическим связующим является необходимым условием для достижения адгезионной связи на границе между матрицей и наполнителем в композитах, что оказывает большое влияние на их свойства.

Таблица 5 – Свойства углеродных волокон [7]

Тип волокна	d, мкм	ρ, кг/м3	σ, МПа	Ex, ГПа
Высокомодульное	8,3	2000	2100	413
Высокопрочное	7,7	1800	2400…3200	240…290
С повышенным удлинением	6,9…7,4	1750	2300…2900	170…200

Для улучшения взаимодействия УВ со связующим используют различные технологические методы воздействия на поверхность волокон, например плазмой и др., что оказывает значительное влияние на смачиваемость волокон связующим и качество пропитки углеродного каркаса.

Методы изготовления объемных структур углеродных каркасов разнообразны. Известны такие технологические приемы, как ткачество сухих нитей, прошивка тканей, намотка нитью, сборка жестких стержней, а также комбинация этих методов.

Управление анизотропией свойств УУКМ осуществляется путем варьирования укладкой арматуры. Выбор схемы армирования композита производят на основании данных о распределении температурных и силовых полей и характере нагружения готового изделия. Широкое распространение получили тканые системы на основе двух, трех и п нитей. Отличительной чертой тканых армирующих каркасов, образованных системой двух нитей, является наличие заданной степени искривления волокон в направлении основы, в то время как волокна утка прямолинейны. В тканых каркасах, образованных системой трех нитей, степень искривления волокон определена в трех направлениях выбранных осей координат.

Изготовление тканых каркасов на основе трех и более нитей требует разработки сложного ткацкого оборудования. Более технологичные армирующие системы получают на основе прямолинейных элементов (стержней), которые изготовляются методом пултрузии. данный метод заключается в пропитке связующим жгута волокон, формовании из него стержня заданного профиля протяжкой через фильеры и последующем отверждением. На основе стержней получают материалы, армированные в одном, двух, трех, четырех, пяти и более направлениях. Композиты с однонаправленным расположением волокон обычно используются в качестве модельных материалов при исследовании свойств и влияния взаимодействия между волокном и матрицей на прочностные и структурные характеристики композитов. двумерноармированные материалы применяются, в основном, для производства элементов, представляющих собой тонкостенные изделия. Вследствие слоистой структуры, такие материалы имеют низкие сдвиговые характеристики. Были найдены способы увеличения межслойной прочности композитов. Однако более эффективным методом является замена двумерноармированных материалов многомерно армированными. Для проектирования рациональной технологии изготовления УУКМ необходимо знать их предельные коэффициенты армирования. В работах Ю.М. Тернопольского и А.Ф.Крегерса исследована возможность предельного наполнения пространственно-армированных материалов элементами круглого поперечного сечения. Предельные коэффициенты армирования для разных типов укладок арматуры даны в табл. 6.

Таблица 6 – Коэффициенты армирования структур на основе прямолинейных элементов [7]

Число направлений армирования	Укладка волокон	μпр
1	Гексагональная	0,97
1	Прямоугольная	0,785
2	Слоистая (произвольная)	0,785
3	Прямоугольная в трех плоскостях	0,589
4	Гексагональная трансверсально-изотропная	0,563
4	Косоугольная в двух ортогональных плоскостях	0,680 (α = 35…26о)
		0,383 (α = 0…90о)
5	Косоугольная в двух ортогональных плоскостях с прошивкой	0,536 (α = 35…26о)
		0,907…0,393 (α = 0…90о)

Наиболее плотную упаковку имеет однонаправленная гексагональная структура. Отклонение направленной укладки волокон от однонаправленой схемы существенно снижает объемный коэффициент армирования материала. Так, при переходе на каркас трехнаправленного ортогонального типа предельный коэффициент армирования материала μ_пр снижается на 25% по сравнению с коэффициентом армирования при слоистой структуре, для которой при любом числе направлений армирования характерно неизменное значение коэффициента армирования μ_пр=0,785. При четырех направлениях армирования, из которых три создают изотропию свойств в плоскости, μ_пр снижается на 38% относительно гексагональной однонаправленной схемы. На практике значения коэффициентов армирования материала оказываются ниже, чем приведенные в табл. 6, ввиду несовершенства формы реальных каркасообразуюших элементов [7].