| Тип структуры | Количество слоев | Ориентация волокон | Основное применение |
|---|---|---|---|
| Моноаксиальная (UD) | 1 | 0° или 90° | Однонаправленное усиление, лонжероны, балки |
| Биаксиальная (BIAX) | 2 | 0°/90° или ±45° | Плоские панели, обшивка корпусов судов |
| Триаксиальная (TRIAX) | 3 | 0°/+45°/-45° | Высоконагруженные детали, лопасти ветрогенераторов |
| Квадроаксиальная (QUADAX) | 4 | 0°/90°/+45°/-45° | Детали с многоосными нагрузками, авиационные панели |
| Тип волокна | Диапазон плотности, г/м² | Типовые значения, г/м² | Ширина полотна, мм |
|---|---|---|---|
| Стекловолокно E-glass | 300–2400 | 450, 610, 1190 | 1270, 2560 |
| Углеродное волокно | 100–400 | 100, 200, 400 | 1270 |
| Арамидное волокно | 200–600 | 280, 420 | 1000, 1270 |
| Базальтовое волокно | 300–1200 | 600, 900 | 1000 |
| Гибридные структуры | 350–1800 | 500, 800, 1200 | 1270 |
| Метод формования | Рекомендуемые типы тканей | Плотность, г/м² | Особенности применения |
|---|---|---|---|
| Вакуумная инфузия | Биаксиальные, триаксиальные | 450–1200 | Требуется хорошая проницаемость для смолы, использование дренажных слоев |
| RTM (трансферное формование) | Все типы | 300–800 | Необходима предварительная раскройка и фиксация заготовки |
| Контактное формование | Моноаксиальные, биаксиальные | 300–600 | Ограниченная драпируемость, подходит для плоских форм |
| Препрег-технология | Квадроаксиальные | 200–400 | Предварительная пропитка, автоклавное формование |
| Намотка | Моноаксиальные | 300–900 | Применяется для цилиндрических изделий, труб, сосудов |
Принципы многослойного армирования
Мультиаксиальные ткани представляют собой текстильные материалы, состоящие из нескольких слоев параллельных армирующих волокон, ориентированных в разных направлениях. В отличие от традиционных тканых материалов с переплетением нитей, каждый слой волокон в мультиаксиальной структуре располагается прямолинейно под заданным углом, что обеспечивает максимальную реализацию механических свойств армирующего наполнителя.
Согласно ГОСТ 32651-2014, мультиаксиальная ткань определяется как текстильная нетканая конструкция из двух или более параллельных слоев однонаправленных непрерывных нитей или ровингов, скрепленных системой переплетения. Фиксация слоев осуществляется посредством прошивки полиэфирными нитями методами вязально-прошивного производства с использованием стежков типа цепь или трикот.
Ключевое преимущество
Прямолинейность волокон обеспечивает увеличение механической прочности композита в два раза по сравнению с ровинговыми тканями аналогичной поверхностной плотности, при одновременном сокращении расхода связующего на 20-30%.
Структура и технология изготовления
Производство мультиаксиальных тканей осуществляется на специализированных вязально-прошивных машинах, где слои ровинга последовательно укладываются под определенными углами и фиксируются прошивной нитью. Современное оборудование позволяет программировать угол укладки волокон с точностью до одного градуса, обеспечивая строгое соответствие расчетной схеме армирования.
Конструктивные элементы
Базовая структура мультиаксиальной ткани включает несколько функциональных слоев. Основные армирующие слои состоят из прямолинейных волокон, уложенных под заданными углами. Для фиксации применяется прошивная полиэфирная нить с линейной плотностью от 76 до 110 текс, которая обеспечивает механическую связь слоев без существенного нарушения их структуры.
Дополнительно между основными слоями или на внешних поверхностях могут располагаться вспомогательные материалы: поверхностная вуаль для улучшения качества поверхности изделия, рубленый стекломат для повышения жесткости конструкции, разделительные пленки для технологических целей. Такая многослойная архитектура позволяет оптимизировать массу и прочностные характеристики готового композита.
Схемы укладки волокон
Ориентация армирующих волокон в мультиаксиальных тканях определяется расчетом напряженно-деформированного состояния конструкции. Стандартные схемы укладки включают направления 0°, 90°, +45° и -45° относительно основного направления. Угол 0° соответствует продольному направлению, 90° – поперечному, а диагональные слои ±45° обеспечивают сопротивление сдвиговым нагрузкам и крутящим моментам.
Расчет схемы армирования
Для высоконагруженных изделий применяется триаксиальная схема 0°/+45°/-45°, где продольный слой воспринимает основные растягивающие или изгибающие нагрузки, а диагональные слои работают при сдвиге и кручении. Квадроаксиальная конфигурация 0°/90°/+45°/-45° обеспечивает квазиизотропные свойства ламината, приближая его поведение к изотропным материалам.
Соотношение толщин слоев с различной ориентацией подбирается на основе анализа траекторий главных напряжений методом конечных элементов. Современные программные комплексы позволяют моделировать распределение нагрузок и оптимизировать схему укладки для достижения максимальной удельной прочности при минимальной массе конструкции.
Технологические ограничения
При проектировании следует учитывать, что углы укладки волокон могут варьироваться в диапазоне от +20° до +90° и от -20° до -90°. Выход за эти пределы требует применения специального оборудования и согласования с производителем.
Типы армирующих волокон
В производстве мультиаксиальных тканей применяются различные типы высокопрочных волокон в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик. Наиболее распространенным является стекловолокно типа E-glass с модулем упругости 76-81 ГПа и плотностью 2,54-2,56 г/см³. Для изделий, работающих в агрессивных средах, используется ECR-glass с повышенной химической стойкостью.
Углеродные волокна
Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила обладают модулем упругости от 200 до 400 ГПа в зависимости от типа при плотности 1,75-1,80 г/см³. Стандартные марки типа T300 и T700 применяются в аэрокосмической промышленности, где требуется высокая удельная прочность. Использование углеродных мультиаксиальных тканей позволяет снизить массу конструкции на 40-50% по сравнению со стеклопластиковыми аналогами.
Арамидные и базальтовые волокна
Арамидные волокна типа Kevlar демонстрируют исключительную ударную вязкость и стойкость к динамическим нагрузкам. Базальтовое волокно, получаемое из расплава базальтовых пород, характеризуется высокой термостойкостью — при длительной эксплуатации сохраняет свойства до 600°C с возможностью кратковременного воздействия до 700-750°C, что делает его перспективным для массового применения в строительных конструкциях и высокотемпературной изоляции.
Преимущества перед традиционными тканями
Применение мультиаксиальных тканей обеспечивает комплекс технологических и эксплуатационных преимуществ. Отсутствие переплетения нитей исключает образование узлов и изгибов волокон, которые являются концентраторами напряжений в традиционных тканях. Прямолинейное расположение армирующих элементов обеспечивает реализацию их прочностных свойств на уровне 85-95% от табличных значений.
Технологические аспекты
Плотная укладка прямолинейных волокон снижает объемное содержание связующего в композите, что приводит к сокращению расхода смолы на 20-30%. Одновременно уменьшается количество технологических слоев при формовании изделия, поскольку одна мультиаксиальная ткань может заменить три-четыре слоя ровинговой ткани различной ориентации.
Гладкая поверхность мультиаксиального материала без выпуклостей от переплетения нитей обеспечивает высокое качество внешней и внутренней поверхностей ламината. Это особенно важно для аэродинамических поверхностей и изделий с жесткими требованиями к шероховатости, где дополнительная механическая обработка существенно увеличивает трудоемкость производства.
Методы формования композитов
Мультиаксиальные ткани совместимы с основными технологиями переработки полимерных композитов. Выбор метода формования определяется геометрией изделия, требуемыми механическими свойствами, объемом производства и доступным технологическим оборудованием.
Вакуумная инфузия
Технология вакуумной инфузии основана на пропитке сухой армирующей заготовки связующим под действием разницы давлений. Сухие слои мультиаксиальной ткани укладываются в форму, герметизируются вакуумной пленкой, и после создания разрежения смола всасывается в рабочую полость через распределительные каналы. Процесс обеспечивает равномерную пропитку при содержании волокон до 60% объема, что соответствует высоким механическим характеристикам.
Для эффективной инфузии мультиаксиальных материалов применяются дренажные сетки, обеспечивающие быструю подачу связующего к армирующим слоям, и жертвенные ткани, формирующие текстуру поверхности изделия. Технология позволяет изготавливать крупногабаритные детали массой до нескольких тонн, включая корпуса судов, лопасти ветрогенераторов и элементы мостовых конструкций.
RTM и контактное формование
Метод трансферного формования предполагает впрыск связующего под давлением в закрытую жесткую форму с предварительно уложенной армирующей заготовкой. Мультиаксиальные ткани в этом процессе обеспечивают стабильность структуры преформы и минимизацию перемещения волокон при заполнении формы смолой. Давление впрыска составляет от 0,3 до 0,6 МПа, что позволяет получать изделия с высоким качеством обеих поверхностей.
Контактное формование, несмотря на высокую трудоемкость, остается актуальным для мелкосерийного производства сложнопрофильных изделий. При ручной укладке мультиаксиальные ткани требуют меньших усилий при драпировке по сравнению с ровинговыми, что сокращает время формования и снижает влияние квалификации оператора на качество изделия.
Нормативная база и стандарты
Технические требования к мультиаксиальным тканям регламентируются ГОСТ 32651-2014, устанавливающим методы обозначения, общие технические требования и методы испытаний. Стандарт распространяется на ткани из армирующих волокон, жгутов и ровингов, предназначенных для производства композитных материалов.
Система обозначений включает информацию о типе волокна, количестве слоев, углах ориентации, поверхностной плотности и типе прошивки. Например, обозначение BX-610-127 расшифровывается как биаксиальная ткань с поверхностной плотностью 610 г/м² и шириной 127 см. Стандарт также определяет методы контроля механических характеристик готового материала, включая прочность при растяжении, изгибе и межслоевой сдвиг.
Для специализированных применений действуют дополнительные нормативные документы: ГОСТ 32794-2014 устанавливает терминологию в области полимерных композитов, ГОСТ 32588-2013 определяет номенклатуру показателей качества. Международные стандарты ISO 527 и ASTM D3039 регламентируют методы определения свойств при растяжении композиционных материалов на основе мультиаксиального армирования.
↑ Вернуться к оглавлению