Разработаны и широко применяются различные способы получения композиционных волокнистых материалов. Метод намотки - один из прогрессивных и эффективных методов получения изделия с высокими деформационно-прочностными характеристиками [1]. В настоящее время для армирования композиционных изделий конических форм используют тканые ленты, полученные при раскрое по диагонали полотна. Такие ленты имеют структуру ткани с разреженными уточными нитями, расположенными поперек ленты. Нередко, при получении композиционных изделий методом намотки, кромки, ниже расположенных, слоев лент образуют сборки и складки. Эти недостатки существенно снижают качество и прочность композиционных изделий. Кроме того, такой способ получения лент достаточно трудоемкий.

Цель работы состоит в разработке трикотажной ленты для армирования композиционных изделий конической формы методом намотки.

Техническое задание на экспериментальный образец трикотажной ленты состоит из следующих этапов:

1.     Проектирование структуры трикотажной ленты и выбор материала.

2.     Расчет параметров ленты на изделие конической формы.

3.     Способ намотки ленты на поверхность вращения.

Разрабатываемое изделие представляет коническую усечѐнную поверхность вращения. В этом случае, для намотки целесообразно использовать ленту, имеющую спирально-деформируемую форму. Структура такой ленты разработана в лаборатории Московского текстильного института под руководством проф. В.А. Зиновьевой [2]. Принципиальный подход состоит в создании ленты, у которой в каждом ряду вязания на одной стороне расположены петли малой длины, а на другой – увеличенные петли [3].

Способ вязания заключается в следующем: на плоской машине вяжут ленту, у которой одна кромка короче другой, что вызывает естественный изгиб  ленты в спираль. Разница в длинах кромок достигается путем изменения высоты петли в каждом ряду. В такой ленте радиус кривизны создается за счет формирования зон поверхности разными переплетениями. При этом одному ряду петель на участке 1 соответствует два ряда петель участка 2, что делает ленту спирально-деформируемой (Рисунок 1).

Стягивающий участок 1 ленты получен жаккардовым переплетением. В структуру ленты ввязан уток 3. Ширину ленты регулируют количеством включаемых в работу игл, а еѐ кривизну – количеством и индексом жаккардовых петель на внутренней кромке и количеством игл в неполном переплетении – на наружной кромке ленты.

Разрабатываемое изделие предназначено для работы в интервале высоких температур. В настоящее время для этих целей используется трикотаж, как из минеральных, так и из синтетических нитей. О текстильной переработке этих нитей в литературных источниках имеются противоречивые сведения [2,5,7]. Для выполнения технического задания применялись кремнеземные нити, обеспечивающие необходимую теплозащиту изделия в интервале температур ±2000 С [5].

При армировании композиционных изделий методом намотки участки ленты испытывают различные деформации при нагрузках значительно меньше разрывных. Для определения этой зависимости проведены испытания на приборе релаксометре [4]. При нагрузках менее 6 Н возникают деформации, связанные в основном со структурой трикотажа. Деформация самой нити при этом или совсем не проявляется или проявляется незначительно [6]. Так как растяжимость применяемых кремнеземных нитей составляет 2-3 процента, то изменение размера кромок ленты происходит за счет разницы длин петель на этих участках. Проведенные испытания показали, что для трикотажа переплетений жаккард 2 и сдвоенная гладь 3 увеличение растяжимости происходит только в определенных интервалах приложенной нагрузки (Рисунок 2). Необходимо отметить, что трикотаж ластичного переплетения 1 обладает большей растяжимостью. Переплетения жаккард и сдвоенная гладь образуют внутреннюю кромку ленты. Внешнюю кромку ленты вывязывают ластичным переплетением.

Экспериментальные исследования деформативных характеристик трикотажных лент показали нелинейность их относительной деформации – наличие двух линейных участков большой и малой жесткости. Зная характеристики деформации ленты, определен расход ленты при намотке на усеченный конус высотой Н.

Длина ленты  L с учѐтом еѐ удлинения при намотке одного слоя покрытия для усеченного конуса с углом уклона α, большим D и меньшим d диаметрами равна:

где - δр расчетное относительное растяжение ленты; H - высота конуса;

dпр = (D2 - d2 )0,5 - приведенный диаметр намотки; bр  = b - ∆ - расчетная ширина ленты с учетом нахлестки ∆ при намотке; α - угол уклона конуса.

При намотке ленты на усеченный конус относительное продольное растяжение слоев ленты по ширине зависит от угла уклона конуса α и b ширины ленты. Следует отметить, что растяжение продольных слоев увеличивается по мере удаления от верхней кромки, пропорционально расстоянию. Значения увеличения относительного растяжения ленты на нижней кромке по отношению к верхней кромке равны:

где n = L / b       - число шагов намотки в одном слое, r = d /2.

Таким образом, наибольшее относительное растяжение в ленте при намотке     на     усеченный конус наблюдается в нижней кромке на первом шаге и составляет:

где δн - начальное значение в верхней кромке от предварительного натяжения.

Минимальная сила натяжения ленты с учетом  полученного выражения  составляет (при условии, что зависимость F1 (δ) – δ близка к линейной): Fmin = F1 (d * ) × b , где F1(δ *) – значение силы F1 при относительном удлинении δ *.

Максимальная сила натяжения ленты определяется выражением: 

Fmax = 0,5 × [F]× b

Метод намотки обеспечивает высокую производительность и стабильные механические свойства композиционного изделия. Этот способ позволяет автоматизировать производство за счет использования механического оборудования намотки с одновременной пропиткой ленты. На ОАО «Композит» проведена исследовательская работа по созданию материала СТКТ-НА на основе спирально-деформированной ленты. Трикотажная лента получена на плоскофанговой машине из кремнеземной нити марки К11С6 прессовым переплетением с ввязыванием утка. Показатели физико-механических испытаний полученных образцов плит материала СТКТ-НА на основе трикотажной ленты и фенолоформальдегидного связующего ЛБС-4 представлены в Табл.1.

Таблица 1 

Физико-механические характеристики композиционного материала СТКТ-НА

№ п/п	Наименование характеристик	Значения показателей
1	Плотность, г/см3	1,48 – 1,52
2	Связующее	ЛБС-4
3	Содержание смолы, %	35 - 36
4	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа - основа	83
5	Разрушающее напряжение при изгибе, МПа - основа	157
6	Разрушающее напряжение при .сжатии, МПа -   основа -   уток	108 110

Трикотажную ленту возможно использовать для армирования сложных изделий, например, поверхность которых имеет положительную Гауссову кривизну. Для лучшего облегания такой поверхности лента должна при намотке в центральной части иметь большее растяжение, чем на кромках. Структуру такой ленты вывязывают переплетениями в следующей последовательности: жаккард, ластик, жаккард. Комбинации переплетений позволяют проектировать ленты для композиционных изделий сложных форм.

В результате проведенной работы разработан экспериментальный образец трикотажной ленты из кремнеземной нити. Получены уравнения для расчета усилий натяжения при намотке на коническое изделие, что позволит адаптировать параметры характеристик ленты с размерами усеченного конуса (диаметр верхнего основания и угол уклона конуса). Экспериментально  полученные физико-механические характеристики материала СТКТ-НА показали возможность использования трикотажной ленты для армирования композиционных изделий.

 

Список литературы

1.     Гардымов Г.П., Малков Е.В., Пчелинцев А.В. и др. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении.- СПб.: Спецлит, 1999, 270 с.

2.     Зиновьева В.А. Разработка основ теории и практики технологии производства технического трикотажа и специзделий из стеклянных нитей - Автореф. дисс. д.т.н. М.: МТИ, 1981, 56 с.

3.     Зиновьева В.А., Шленникова О.А. Ресурсосберегающая технология трикотажных изделий технического назначения.- Все материалы, 2010, №5, с.26-30.

4.     Кобляков А.И. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению.-  М.: Легпромбытиздат, 1986, 343 с.

5.     Михайлин Ю.А. Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов.- СПб.: НОТ, 2011, 415 с.

6.     Торкунова З.А. Испытания трикотажа.- М.: 1985, 199 с.

7.     Цитович И.Г. Теоретические основы стабилизации процесса вязания.- М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984, 135 с.