| Тип структуры | Характеристика | Преимущества | Применение |
|---|---|---|---|
| Однонаправленные ткани и ленты | Более 85% волокон расположены параллельно в одном направлении. Поперечные нити из стекловолокна или термоклеевые | Максимальная прочность в заданном направлении, высокое содержание волокон, оптимальное соотношение прочность/масса | Усиление строительных конструкций, авиакосмическая промышленность, изготовление стержней и профилей |
| Ткани полотняного переплетения | Перекрытие основы и утка под углом 90 градусов, равнопрочные в обоих направлениях | Высокая прочность и жесткость, технологичность, хорошая стабильность размеров | Силовые конструкции, корпуса, изделия средней сложности формы |
| Ткани саржевого переплетения | Диагональный рисунок переплетения с характерным узором | Повышенная гибкость по сравнению с полотняным, хорошая драпируемость, прочность близка к полотняному | Изделия сложной формы, детали автомобилей, спортинвентарь |
| Ткани сатинового переплетения | Волокна максимально прямолинейны, минимум изгибов в структуре | Наивысшая гибкость, лучшая укладываемость на сложные формы, высокие механические свойства | Сложные криволинейные поверхности, аэрокосмическая отрасль, эстетические изделия |
| Мультиаксиальные ткани | Несколько слоев волокон с различной ориентацией, скрепленных прошивными нитями | Прочность в нескольких направлениях, высокое содержание волокон, снижение трудозатрат при выкладке | Ветроэнергетика, судостроение, крупногабаритные конструкции |
| Рубленые волокна и маты | Короткие отрезки волокон длиной от 3 до 130 мм, произвольная ориентация | Низкая стоимость, простота применения, изотропные свойства | Литьевое формование, армирование бетона, массовое производство простых деталей |
| Тип материала | Поверхностная плотность, г/м² | Типичная толщина слоя | Объемное содержание волокон |
|---|---|---|---|
| Углеродные однонаправленные ленты | 100–530 | 0,08–0,45 мм | до 70% |
| Стеклоткани ровинговые | 200–1800 | 0,2–1,5 мм | до 60% |
| Углеродные ткани (саржа, сатин) | 160–400 | 0,15–0,35 мм | до 65% |
| Мультиаксиальные ткани | 300–1200 | 0,3–1,0 мм | до 60% |
| Маты из рубленого стекловолокна | 300–900 | 0,5–2,0 мм | до 35% |
| Комбинация мат + ровинговая ткань | 450–1500 | 0,6–2,5 мм | до 50% |
| Метод формования | Рекомендуемые текстильные структуры | Объемное содержание волокон | Особенности применения |
|---|---|---|---|
| Ручная выкладка | Маты из рубленой пряжи, ровинговые ткани, комбинация мат + ткань | до 50% | Простые и средней сложности формы, крупные изделия, технология контактного формования |
| Вакуумная инфузия | Однонаправленные ткани, мультиаксиальные, двунаправленные ткани саржевого и сатинового переплетения | до 65% | Высокое качество пропитки, минимум воздушных включений, крупногабаритные конструкции |
| RTM (Resin Transfer Molding) | Предварительно сформованные заготовки, мультиаксиальные ткани, двунаправленные ткани | до 60% | Серийное производство, герметичная форма, точность размеров |
| Намотка | Ровинги, однонаправленные ленты, ровинговые ткани с акцентом на уток | до 75% | Тела вращения, трубы, баллоны, максимальная прочность вдоль намотки |
| Автоклавное формование препрегов | Препреги на основе однонаправленных лент, тканей саржевого и сатинового переплетения | до 70% | Аэрокосмическая отрасль, высокие требования к качеству, минимальная пористость |
| Литьевое формование | Рубленые волокна, короткие отрезки 3–25 мм | до 30% | Сложная геометрия, автоматизированное производство, термопластичные матрицы |
| Пултрузия | Непрерывные ровинги, однонаправленные маты, ткани | до 80% | Профильные изделия постоянного сечения, непрерывный процесс |
Содержание статьи
Классификация текстильных структур армирования
Текстильные армирующие материалы представляют собой основу для создания высокопрочных полимерных композитов. Выбор конкретной структуры армирования напрямую влияет на механические характеристики готового изделия, технологичность производства и экономическую эффективность процесса. Современная классификация разделяет армирующие материалы на четыре базовые группы согласно характеру расположения волокон.
Первую группу составляют однонаправленные непрерывные материалы, где волокна ориентированы преимущественно в одном направлении. Такая структура обеспечивает максимальные показатели прочности и модуля упругости вдоль оси армирования. Вторая категория включает тканые структуры с различными типами переплетения — полотняным, саржевым и сатиновым. Третья группа представлена объемными плетеными структурами и мультиаксиальными системами, где волокна располагаются в нескольких плоскостях. Четвертую группу формируют нетканые материалы — маты из рубленых волокон и холсты со случайной ориентацией.
Структура текстильного материала определяется требованиями к прочностным и деформационным свойствам композита, а также особенностями технологического процесса формования. Размерная стабильность критична для вакуумной инфузии и автоклавного формования, тогда как высокая драпируемость необходима при изготовлении изделий со сложной геометрией методом ручной выкладки.
Однонаправленные ткани и ленты
Однонаправленные материалы характеризуются расположением не менее восьмидесяти пяти процентов волокон параллельно друг другу в основном направлении. Поперечные нити выполняют функцию фиксации основных волокон и изготавливаются из стеклянных, арамидных или термоклеевых нитей малой линейной плотности. Такая архитектура обеспечивает оптимальное использование прочностных характеристик армирующих волокон в заданном направлении.
Углеродные однонаправленные ленты выпускаются с поверхностной плотностью от ста до пятисот тридцати граммов на квадратный метр. Разрушающее напряжение при растяжении достигает значений от трех с половиной до пяти тысяч мегапаскалей в зависимости от типа углеродного волокна. Стандартная ширина лент варьируется от пятнадцати до трехсот миллиметров, что позволяет оптимизировать выкладку под конкретную геометрию изделия.
Применение однонаправленных материалов позволяет достичь высокого объемного содержания волокон в композите. Это обеспечивает максимальное соотношение прочности к массе при работе конструкции вдоль оси армирования.
Стеклянные однонаправленные ленты применяются в процессах намотки для изготовления труб, баллонов и емкостей. Моноаксиальные стеклоткани с концентрацией нитей в утке выпускаются шириной двести и двести пятьдесят миллиметров, обеспечивая технологичность при работе с изделиями цилиндрической формы.
Двунаправленные тканые структуры
Полотняное переплетение
В тканях полотняного переплетения нити основы и утка взаимно перекрываются под прямым углом с максимальной частотой переплетения. Каждая нить основы последовательно проходит над и под нитями утка. Такая структура создает высокую устойчивость к сдвигу и обеспечивает равнопрочность в направлениях основы и утка.
Ровинговые стеклоткани полотняного переплетения изготавливают из некрученого стекложгута с линейной плотностью от ста двадцати пяти до пятисот текс в основе и редким утком из нитей пятнадцать-двадцать пять текс. Поверхностная плотность таких тканей составляет от двухсот до восемнадцати сотен граммов на квадратный метр. Материал характеризуется высокой жесткостью и используется для армирования силовых участков конструкций простой геометрии.
Саржевое переплетение
Саржевое переплетение создает диагональный рисунок на поверхности ткани за счет сдвига точек переплетения. Наиболее распространен вариант саржи два на два, где нить основы проходит над двумя и под двумя нитями утка. Уменьшение частоты переплетения по сравнению с полотняным типом повышает гибкость материала и улучшает его драпируемость.
Углеродные ткани саржевого переплетения с поверхностной плотностью двести-двести сорок граммов на квадратный метр широко применяются для изготовления деталей сложной формы в автомобилестроении и производстве спортивного инвентаря. Прочностные характеристики сопоставимы с полотняным переплетением при существенном улучшении формуемости.
Сатиновое переплетение
Сатиновое переплетение характеризуется минимальной частотой переплетения нитей, что обеспечивает максимальную прямолинейность волокон в структуре ткани. В сатине восемь харнесс нить основы проходит над семью нитями утка и под одной, создавая гладкую поверхность с минимумом изгибов волокон.
Композиты на основе сатиновых тканей демонстрируют наивысшие механические характеристики среди тканых материалов благодаря прямолинейности армирующих волокон. Драпируемость сатина позволяет формовать криволинейные поверхности двойной кривизны без образования складок. Материал востребован в аэрокосмической промышленности для изготовления высоконагруженных конструкций.
Мультиаксиальные текстильные системы
Мультиаксиальные материалы представляют собой несколько слоев однонаправленных волокон с различной ориентацией, скрепленных между собой тонкими прошивными нитями. Ориентация слоев задается в зависимости от векторов нагрузок в конструкции и может составлять ноль, плюс сорок пять, минус сорок пять и девяносто градусов относительно продольной оси.
Биаксиальные ткани содержат два слоя волокон с ориентацией ноль и девяносто градусов или плюс сорок пять и минус сорок пять градусов. Квадроаксиальные системы объединяют четыре слоя с ориентацией ноль, плюс сорок пять, минус сорок пять и девяносто градусов. Поверхностная плотность мультиаксиальных материалов варьируется от трехсот до тысячи двухсот граммов на квадратный метр.
Использование мультиаксиальных тканей сокращает трудозатраты при выкладке за счет объединения нескольких слоев в единую структуру. Материал обеспечивает высокое содержание волокон в композите при обеспечении прочности в нескольких направлениях одновременно.
Мультиаксиальные материалы изготавливаются на основе стеклянных, углеродных, базальтовых и арамидных волокон. Гибридные системы комбинируют различные типы волокон в разных слоях для оптимизации механических свойств и снижения стоимости. Применение находят в ветроэнергетике для изготовления лопастей, в судостроении для корпусов и палуб, в автомобилестроении для силовых элементов кузова.
Рубленые волокна и нетканые маты
Рубленые волокна представляют собой короткие отрезки непрерывных волокон длиной от трех до ста тридцати миллиметров. Стеклянные рубленые волокна выпускаются диаметром от пяти с половиной до двадцати двух микрометров с различной длиной реза в зависимости от технологии переработки. Базальтовые рубленые волокна обладают устойчивостью к щелочной среде бетона и применяются для дисперсного армирования цементных композитов.
Маты из рубленой стекложгутовой пряжи изготавливаются методами приточного насасывания, распыления или отлива пульпы. Волокна произвольной ориентации связываются эмульсией на основе полимерных связующих. Поверхностная плотность матов составляет от трехсот до девятисот граммов на квадратный метр при толщине от половины до двух миллиметров.
Произвольная ориентация волокон обеспечивает изотропность свойств в плоскости материала, но снижает абсолютные значения прочности по сравнению с тканями. Комбинация матов с ровинговыми тканями позволяет повысить общее содержание армирующих компонентов в композите.
Рубленые волокна пригодны для изготовления изделий, где невысокая степень армирования и произвольная ориентация не препятствуют достижению требуемых механических характеристик. Неоднородность структуры вызывает разброс свойств на уровне двадцати-тридцати процентов.
Литьевое формование термопластичных композитов использует рубленые волокна в виде пресс-материалов и гранул. Длина волокон составляет три-двадцать пять миллиметров для обеспечения текучести расплава при заполнении формы. Изделия занимают промежуточное положение по прочности между неармированными полимерами и композитами с непрерывным армированием.
Выбор структуры для технологического процесса
Процессы пропитки под давлением
Вакуумная инфузия и технология трансферного формования смолы требуют армирующих материалов с высокой проницаемостью для связующего. Сатиновые и саржевые ткани обеспечивают лучшую пропитку по сравнению с полотняным переплетением за счет большей открытости структуры. Мультиаксиальные материалы позволяют достичь высокого содержания волокон при сохранении приемлемых скоростей пропитки.
При вакуумной инфузии армирующий материал укладывается в форму в сухом виде, затем полость герметизируется вакуумной пленкой. Разряжение обеспечивает втягивание связующего в структуру ткани и удаление воздушных включений. Метод обеспечивает высокое содержание волокон при минимальной пористости готового композита.
Намотка и пултрузия
Процесс намотки использует непрерывные ровинги, однонаправленные ленты или ровинговые ткани. Материал пропитывается связующим непосредственно перед намоткой на вращающуюся оправку. Технология регулирует содержание волокон посредством натяжения и скорости процесса.
Пултрузия применяет непрерывные ровинги и маты для протяжки через фильеру с формированием профиля постоянного сечения. Технология обеспечивает высокое содержание волокон при максимальных значениях прочности вдоль оси протяжки. Скорость процесса в современных установках достигает четырех-шести метров в минуту при изготовлении профильных изделий.
Автоклавное формование
Препреги представляют собой полуфабрикаты на основе тканей или однонаправленных лент, предварительно пропитанных связующим. Материал хранится при пониженной температуре для предотвращения преждевременного отверждения. Формование осуществляется под давлением пять-восемь атмосфер при температуре от ста до ста восьмидесяти градусов Цельсия в автоклаве.
Препреги на основе сатиновых углеродных тканей с поверхностной плотностью двести-двести сорок граммов на квадратный метр применяются в аэрокосмической отрасли. Технология обеспечивает высокое содержание волокон при пористости менее одного процента, воспроизводимость свойств и минимальный разброс характеристик.
