Федеральноеагентствопообразованию Государственноеобразовательноеучреждение высшегопрофессиональногообразования «Казанскийгосударственныйтехнологическийуниверситет» Г.Г.Богатеев,К.В.Микрюков, Д.Г.Богатеев,В.Х.Абдуллина ОСНОВНЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛОКНИСТЫХ,НИТЕВИДНЫХИ ТКАНЫХНАПОЛНИТЕЛЕЙ КОМПОЗИЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ Учебноепособие Казань КГТУ 2010 УДК658.512 ББК Богатеев Г.Г. Основные характеристики волокнистых, нитевидных и тканых наполнителей композиционных материалов: учебное пособие / Г.Г. Богатеев [идр.];Федер.агентствопообразованию,Казан.гос.технол.ун-т.–Казань: КГТУ,2009.–131с. ISBN978-5-7882-0881-7 Пособие соответствует авторскому курсу по дисциплинам «Проектирование технологических процессов и производство изделий из композиционных материалов» и «Конструкционные и функциональные волокнистые композиты» для подготовки специалистов по специальности 150502 «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»,атакжебакалавровпонаправлению150600«Материаловедение итехнологияновыхматериалов». Приведены классификация и основные сведения по основным свойствам волокнистых и тканых армирующих наполнителей композиционных материалов, а также способам определения ряда характеристик. Сформулированы основные принципы выбора волокнистых наполнителей и схемармирования. Предназначено для студентов, аспирантов и научно-технических работников, занимающихся изучением, разработкой и конструированием композиционныхматериалов. Подготовленонакафедрехимииитехнологиигетерогенныхсистем. Подредакциейпроф.И.А. Абдуллина Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственноготехнологическогоуниверситета Рецензенты:д-ртехн.наук.проф. Э.Р. Галимов канд.техн.наукА.С.Арутюнян ISBN978-5-7882-0881-7БогатеевГ.Г.,МикрюковК.В., БогатеевД.Г.,АбдуллинаВ.Х.,2010 Казанскийгосударственный технологическийуниверситет,2010 2 Содержание ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................... 5 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ................................................................................. 6 1.1. Основныепонятияиопределения.......................................6 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ 7 3. НЕТКАНЫЕВОЛОКНИСТЫЕНАПОЛНИТЕЛИ.......... 9 3.1.Непрерывныеволокнаинити .............................................10 3.1.1.Текстильныеформыволокон ...........................................10 3.1.1 Строениеволокон......................................................11 3.1.2 Структуранитей ........................................................14 3.1.3 Скрученностьиукрутканитей.................................19 3.1.3.1 Характеристики скрученности и извитости нитей, ворсистость......................................................................................19 3.2 Свойстванепрерывныхволокнистыхнаполнителей. .....23 3.2.1 Структурныехарактеристики...................................24 3.2.2 Геометрическиесвойстваволоконинитей ............25 3.2.3 Механическиесвойстваволоконинитей ...............30 3.2.4 Тепловыесвойства ....................................................43 3.2.5 Электрическиесвойства ...........................................46 3.2.6 Сорбционныесвойства .............................................48 3.2.7 Оптическиесвойства.................................................53 3.2.8 Стойкость к атмосферным воздействиям и действиюхимическихреагентов...................................................54 3.3 Влияние различных факторов на механические свойства волоконинитей ..............................................................................57 3.3.1 Влияние природы волокна, их геометрических характеристик и структурных свойств на механические показатели 57 3.3.2 Влияниеусловийиспытанийинагружения ...........60 3 ТКАНЫЕАРМИРУЮЩИЕНАПОЛНИТЕЛИ ............. 63 4.1 Классификациянаполнителей .................................63 4.2 Свойстватканыхнаполнителей ...............................64 4.2.1Структурныесвойства ........................................................64 4.2.1.1 Видыпереплетения ...................................................65 4.2.1.2 Плотностьткани ........................................................69 4.2.1.3 Заполнение,пористостьинаполнениеткани.........70 4.2.2Механическиесвойства......................................................74 4.2.3Другиевидымеханическиххарактеристик......................79 4.3 Методыиспытанийнарастяжениедоразрушения83 4.3.1Формапробиихзаправка..................................................86 4.4 Физическиесвойстватекстильныхполотен...........89 4.4.1Гигроскопическиесвойства ...............................................89 4.4.2Проницаемость....................................................................91 4.4.3Тепловыесвойства ..............................................................95 4.4.4Оптическиесвойства ........................................................102 4.4.5Электрическиесвойства...................................................104 4.4.6Акустическиесвойства.....................................................106 4.5 Отборпробивыборокполотениизделий............107 4.5.1Характеристикипромышленныхтканей ........................109 4.5.2Трикотаж ............................................................................109 5. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И СХЕМ АРМИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИИЗДЕЛИЙИЗВКМ................................ 120 5.1 ВыборингредиентовВКМ...............................................123 СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ ........................................................... 130 4. 4 ВВЕДЕНИЕ Расширение класса конструкционных материалов за счет широкого внедрения в практику композиционных материалов (КМ), совершенствование конструкций изделий из КМ и технологии их переработки открывают широкие возможности поиспользованиювкомпозитахновыхволокнистыхматериалов вкачествесиловойосновы. Современные КМ обладают широким спектром механических,физическихихимическихсвойств,способностью к целенаправленному их изменению в соответствии с назначением конструкции. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособностьКМвомногомзависитот правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения. В современных композитах используют тонкие, диаметром (5...200) ⋅ 10-6м, непрерывные или короткие волокна, являющиеся армирующими элементами или служащие основой для изготовления нитей, жгутов, лент и тканей с различными типами плетения. Выбор природы матрицы, армирующих наполнителей, типа переплетения и схемы армирования КМ осуществляют в зависимости от назначения конструкции и условий эксплуатации изделий. При этом для создания заданногосоотношениянаполнитель-матрицанеобходимознать основныесвойстванаполнителя. Настоящее пособие касается вопросов изучения и определения геометрических, структурных, массовых, механических и некоторых других свойств армирующих наполнителей(волокна,нити,тканиит.п.)каксиловойосновы конструкционных и защитных композитов и изделий на их основе. 5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ 1. 1.1. Основные понятия и определения Волокнистые композиционные материалы (ВКМ) состоят, как правило, из волокнистого наполнителя и матричного материала. Волокнистый наполнитель воспринимает основные напряжения, возникающие при действии внешних нагрузок, и обеспечиваетжесткостьипрочностькомпозициивнаправлении ориентацииволокон. Пластичная матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно. Следовательно,механическиесвойствакомпозитаопределяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующихволокон,жесткостьюматрицыипрочностьюсвязи награницематрица-волокно. Волокнистые композиты отличаются от других типов композиционных материалов структурой и механизмом образования прочности. Особенность структуры ВКМ заключается в равномерном распределении высокопрочных волокон в пластичной матрице с высокой объемной степенью наполнения(до75%),чтопридаетволокнистомукомпозитуярко выраженную анизотропию свойств в направлении преимущественного расположения волокон. Структура ВКМ определяет механические свойства композиции и механизм ее разрушения. В ВКМ поперечные растягивающие напряжения в концерастущейтрещинымогутвызватьотслаиваниеволоконот матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела - распространение отслоенных участков вдоль волокон. При 6 отслаивании затрачивается энергия, т. к. волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться вдали от плоскости распространения трещины. Поэтому для волокнистых композитов характерен такой механизм повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Высокая прочность ВКМ связана с наличиембольшойповерхностиразделамеждунаполнителеми матрицей, которая препятствуют дальнейшему развитию образовавшейся при нагрузке трещины. При нагружении изделия происходит вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между ними. Дополнительное сопротивление распространению трещин, развивающихся в матрице, оказывают силы трения между вытягиваемым волокном и матрицей. Высокая трещиностойкость ВКМ обеспечивает их работоспособность при значительных накопленныхповреждениях[1]. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКНИСТЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ Внастоящеевремянетнаучнойклассификацииволокнистых наполнителей. Поэтому их классификацию проводят иерархическим способом по каким-либо характерным признакам. Наиболее часто в качестве характерных признаков выбираютматериаловедческийиконструкционный. По материаловедческому признаку, т. е. природе наполнителя,известныследующиеволокнистыематериалы: − неорганические; − органические; − смешанныеилигибридные; 7 − комбинированные(полимерныеволокнасметаллическими покрытиями). К неорганическим волокнистым наполнителям относят материалы, полученные из стеклянных, высокосиликатных, борных, базальтовых, сапфировых волокон, а также металлические проволочные волокна и волокна на основе измельченной минеральной ваты, карбидов, нитридов, асбеста, оксидовидругихсоединений. Органические наполнители представлены материалами, полученными из натуральных и искусственных высокополимеровисинтетическихВМС,углеродныхволокон,а также отходов целлюлозно-бумажного производства и переработкидревесины,лигноцеллюлозногосырья. Смешанные или гибридные волокнистые наполнители представляют собой материалы, приготовленные из волокон различной природы, например: карбоволокно сочетают с борнымиволокнамиилиметаллическиепроволочныеволокнас текстильными,полимерными. КомбинированныеволокнистыенаполнителиКМсостоятиз волокна - подложки (например, полиэтиленового, вольфрамового), на которое различными методами нанесено покрытие. Примером такого типа волокон может служить волокно «борсик», состоящее из борного волокна, на которое нанесенопокрытиекарбидакремния. Классификация волокнистых наполнителей по конструкционному признаку более распространена и совершенна. Все известные волокнистые наполнители по конструкционному признаку (или его еще называют классификациейпотекстильнымформам)делятна5групп: − непрерывныеволокна; − тканыеармирующиеэлементы; − коротковолокнистаяарматура; 8 − листовыеипленочныематериалы; − объемно-каркасные. Очень часто непрерывные волокна, листовые, пленочные материалы, а также коротковолокнистую арматуру объединяют воднугруппу-нетканыематериалы. Армирующие волокна, применяемые в композиционных материалах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по плотности, прочности в интервале рабочих температур, растворимости в матрице, химической стойкостиит.п. Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительной технологии изготовления изделий на ихоснове.Важнымтребованиемявляетсятакжесовместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочнойсвязинаграницеразделаматрица-волокно[2]. 3. НЕТКАНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ Однимиизсамыхдешевыхнаполнителей,используемыхпри изготовлении ВКМ, являются нетканые материалы. К числу нетканых материалов (НВМ) относят однонаправленные моноволокна; крученые и некрученые нити, коротковолнистую арматуруввидештапельноговолокна,нитевидныхкристаллов, усов;холсты(маты)изперекрещенныхнепрерывныхволокони нитей,изрубленныхштапельныхволокон;листовыематериалы с хаотичным расположением коротких волокон (бумага, шпон, фанера)исплошнойструктурой(фольга,полимерныепленки). Промышленные волокна. В волокнистых композиционных материалах для армирования используются практически все виды волокон, производимых промышленностью. Рассмотрим 9 микрофибрилл. Микрофибриллы в наружном слое ориентированы в продольном направлении, тогда как во внутреннем слое степень ориентации их очень низкая. Вискозные высокомодульные и особенно полинозные волокна отличаются высокой степенью ориентации и однородностью структуры, повышенной степенью кристалличности. Благодаря высокой ориентации, однородности структуры изменяется и морфология волокон. Поперечное сечение этих волокон в отличие от поперечного сечения обычных вискозных нитей не имеетизвилин,оноовальное,близкоеккругу. Ацетатные волокна по химическому составу представляют собой ацетилцеллюлозу. Структура волокон аморфнокристаллическая,снебольшойстепеньюкристалличности. Синтетические волокна получилиширокоераспространение, и их баланс в общем производстве текстильных волокон все болееувеличивается. Из синтетических волокон большую группу представляют полиамидные волокна (капрон, перлон, дедерон, нейлон и др.). Структура волокон из поликапроамидов аморфнокристаллическая,степенькристалличностиможетдостигать70%. Кристаллиты включают несколько звеньев, ориентированных вдоль волокон. Форма сечений волокон может быть разной, обычносечениекруглое,номожетбытьидругойформы.Кэтой группе относятся и волокна из полиэнантоамида, отличающиеся от поликапроамидных волокон химическим строением элементарногозвена.Конфигурациямолекулярнойцепиволокон этоговида,какиукапроамидных,вытянутая,зигзагснесколько большейдлинойэлементарногозвена. Полипропиленовые и полиэтиленовые волокна относятся к полиолефиновым волокнам. Форма поперечного сечения волокон овальная, фибриллы ориентированы вдоль оси. Структура макромолекул стереорегулярная. Степень полимеризации волокон может меняться в широких пределах. 12 общиесвойстваосновныхгруппнетканыхнаполнителей. 3.1. Непрерывные волокна и нити 3.1.1. Текстильные формы волокон Непрерывные волокна применяются в виде однонаправленных моноволокон или пучков волокон, называемых текстильными формами. Известны следующие текстильные формы волокон: нити (крученые и некрученые), пряжи,жгутыилировинги,концы,стренги,канатыит.п. Волокно однонаправленное непрерывное - это элементарное волокно большой (бесконечной) длины, сформованное из одного отверстия фильеры. Часто волокна однонаправленные непрерывныеназываютфиламентами. Нить -текстильнаяформаволокон,полученнаякомпоновкой (без скрутки) или скручиванием двух или более непрерывных волокон (филаментов)водинпучок.Известнонескольковидов нитей: непрерывная или пряжа, комплексная и трощеная (полученная скручиванием двух и более одиночных нитей в одной операции). Количество элементарных волокон в нитях составляетот5до1000шт.;диапазонлинейнойплотности-от нескольких единиц до 300 текс. Текс - единица линейной плотности,характеризующаятолщинуволоконинитей. Жгут - текстильная форма волокон, состоящая из большого числа филаментов (линейная плотность свыше 300 текс). Обычножгутысоставляютсянеизволокон,аизнитей. Ровинг -этожгут,образованныйпучкаминепрерывныхнитей в виде некрученых элементарных волокон и пучков или крученыхнитей. Стренг - пучок непрерывных нитей, собранных в единый 10 компактный жгут без скрутки. Обычно в жгут собирают по 51, 102и204непрерывныхнити. Конец - пучок ровинга, состоящий из определенного количестваволокон,собранныхвместе. Общепринято считать, что группа волокон после их соединениябезскрутки-этоконцы,стренги;апослескрутки- нить,пряжа. 3.1.1 Строение волокон Волокна (филаменты) имеют сложное физическое строение, которое определяется в основном их природой, и большинство изнихимеетвысокуюмолекулярнуюмассу.Волокнаасбестаэто кристаллы природных водосодержащих магниевых силикатов (солей кремниевых кислот). Иглоподобные тончайшие кристаллиты асбеста, объединенные в более крупные агрегаты силами межмолекулярного взаимодействия, имеют вытянутую форму и обладают свойствами волокон. Элементарные волокна асбестаобъединенывкомплексы(техническиеволокна). Полимерные волокна весьма разнообразны по своему строению. Из природных полимеров наибольшее распространение в промышленности получили вискозные, ацетатные, триацетатные волокна и нити. Вискозные волокна - группа одинаковых по химическому составу (полученных из гидратцеллюлозы) волокон и нитей, но существенно отличающихся по строению и свойствам. Отличие состоит в пространственном расположении элементарного звена целлюлозы, что оказывает существенное влияние на свойства волокон. Например, гидратцеллюлозные волокна сильнее поглощаютразныевеществаиглубжеокрашиваются.Структура вискозных волокон аморфно-кристаллическая. Обычные вискозные волокна отличаются также неоднородностью, заключающейся в разной степени ориентации фибрилл и 11 Структура надмолекулярных образований – аморфнокристаллическая, содержание кристаллической фракции достигает 85-95%. Морфология полиэтиленовых волокон существенно не отличается от морфологии полипропиленовых волокон. Полиуретановые волокна состоят из макромолекул, элементарные звенья которых содержат уретановую группу. Строение волокон аморфное, температура стеклования низкая. Гибкие сегменты макромолекул при обычной температуре находятся в высокоэластическом состоянии. Благодаря такому строениюволокнаобладаюточеньбольшойрастяжимостью(до 500-700%)принормальнойтемпературе. Вволокнахизфторсодержащихполимеровпосравнениюс винилиденхлоридом водород и хлор замещаются фтором. Элементарные звенья волокон тефлон —CF2—, волокон фторлон —СН2—CHF—. Особенностью структуры этих волокон является значительная энергия связи атомов углерода и фтора, ее полярность, определяющая высокую стойкостькдействиюагрессивныхсред. Углеродные волокна - жаропрочные волокна, конфигурация цепи макромолекул слоисто-ленточная, степень полимеризации очень высокая. На рис. 1 представлены различные по своей структуреволокна. Структуру волокон и нитей исследуют многими способами, однако наиболее широкое применение нашел метод микрокалориметрии, основанный на измерении тепловых эффектов,сопро- 13