Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-8 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов в изделиях». Калгин А.В

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1-8 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки

и переработки композиционных материалов в изделиях»

для студентов направления 150100.62 «Материаловедение

и технология материалов» (профиль «Конструирование

и производство изделий из композиционных материалов»)

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук А.В. Калгин

УДК 620.171.2

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-8 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.В. Калгин. Воронеж, 2015. 51 с.

Методические указания содержат краткие теоретические и практические сведения о технологиях получения и методах контроля качества углеродных тканей, эпоксидных связующих, препрегов, включающих углеродные ткани и эпоксидные связующие, и композиционных материалов из них.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Мет.указ. № 1-8.doc.

Табл. 3. Ил. 17. Библиогр.: 15 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Ожерельев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Ó ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Лабораторная работа № 1

Технология получения тканей полотняного переплетения на основе углеродных нитей

Цель работы: освоить технологию получения тканей полотняного переплетения на основе углеродных нитей с использованием лабораторного технологического комплекса получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD.

1. Краткие теоретические сведения

Полимерные композиционные материалы (ПКМ), благодаря обеспечению высокой прочности и низкой плотности изделиям по сравнению с традиционными материалами (в том числе металлами и их сплавами), находят широкое применение в народном хозяйстве. Практически во всех случаях использования ПКМ в изделиях, требующих наиболее высокий комплекс физико-механических, термодеформационных, теплофизических и эксплуатационных свойств, композиты армируют ткаными структурами.

Тканые структуры производятся главным образом на основе углеродных нитей и доступны в виде однонаправленных лент (ткани с шириной полотна до 400 мм), однонаправленных тканей (ткани с шириной более 400 мм), а также двунаправленных тканей. Однонаправленные ленты на основе углеродных нитей используются в качестве армирующего материала при изготовлении однонаправленных препрегов, которые применяются для изготовления изделий с высокими прочностными характеристиками в нескольких направлениях (например, несущие узлы летательных аппаратов). Двунаправленные ткани используются в качестве наполнителей при изготовлении препрегов, которые в основном применяются для получения деталей сложной геометрии, где жесткость играет ключевую роль (например, детали обтекателей летательных аппаратов).

Тканые структуры получают на ткацком оборудовании в результате переплетения двух систем нитей, расположенных друг относительно друга в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Нити одной системы, идущие вдоль ткани, носят название основы, а нити другой системы, идущие поперек ткани, – утка. Большинство простых тканых структур, широко применяемых в настоящее время для изготовления ПКМ, имеют простые схемы переплетения, такие как полотняное, сатиновое и саржевое.

Полотняное переплетение − самый простой вид переплетения, в котором нити основы и утка перекрывают друг друга в каждых двух последовательных перекрытиях с наименьшим возможным раппортом R, равным двум (рис. 1).

Рис. 1. Схема полотняного переплетения

Видно, что R_О = R_У = 2, S_О = S_У = 1 и n_FО = n_FУ = 1, где R_О и R_У – раппорт переплетения по основе и утку соответственно, S_О и S_У – вертикальный и горизонтальный сдвиги соответственно, а n_FО и n_FУ – основное и уточное перекрытия соответственно.

Тканая структура полотняного переплетения имеет максимально возможное количество пересечений основных нитей с уточными, обуславливающее большое трение между ними, поэтому при всех прочих равных условиях она наиболее стабильная (не расслаивается) по сравнению с ткаными структурами других схем переплетения. Недостатком тканых структур полотняного переплетения является максимальная извитость нитей основы, следовательно, углеродные нити в ткани ориентированы максимально неоднородно (максимальное число перегибов).

Саржевое переплетение образует на поверхности ткани видимые диагональные рубчики, которые в основном направлены сверху вниз и справа налево, но встречается и обратное направление рубчика (сверху вниз и слева направо), образуемое обратным саржевым переплетением. Условно обозначается дробью n_FО/n_FУ. Для саржевого переплетения характерно R_О = R_У = R = n_FО + n_FУ, S_О = S_У = ±1 и R_О ≥ 3. Если n_FО = 1, то n_FУ = R - 1 − образуется уточная саржа (например 1/2, 1/3, 1/4) (рис. 2); если n_FУ = 1, то n_FО = R - 1 − образуется основная саржа (2/1, 3/1, 4/1) (рис. 2).

Рис. 2. Схемы саржевого переплетения

По сравнению с полотняным переплетением извитость нитей основы при саржевом переплетении в разы меньше.

Сатиновое и атласное переплетения условно обозначаются дробью R/S. Для сатинового (рис. 3, а) и атласного (рис. 3, б) переплетений R_О = R_У = R ≥ 5 и S ≠ 1.

Рис. 3. Сатиновое и атласное переплетения

Видно, что при сатиновом переплетении перекрытие сдвигается в направлении нити утка (R/S_У), а при атласном переплетении − в направлении нити основы (R/S_o). Извитость нитей основы при сатиновом переплетении существенно меньше, чем при полотняном и саржевом переплетениях.

2. Методика эксперимента

Для получения тканей из углеродных нитей может быть использован лабораторный технологический комплекс получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD, схема которого показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема лабораторного технологического комплекса

получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD

1 – шпулярник; 2 – нити основы; 3 – концентрирующее бердо; 4 – натяжной барабан товарного регулятора; 5 – направляющий валик (скало); 6 – навой с нитями; 7 – ремизные рамы; 8 – бердо; 9 – ножницы; 10 – механизм прокладывания утка (рапира); 11 – вальян; 12 – емкость для нитей ложной кромки; 13 – инфракрасная лампа; 14 – валы для отвода наработанной ткани; 15 – товарный валик; 16 – прижимной вал

Углеродные нити (нити основы) 2, сматываемые с бобин на шпулярнике 1, проходят через концентрирующее бердо 3, огибают натяжной барабан товарного регулятора 4, скало 5 и принимают горизонтальное положение. Далее они проходят через глазки галев ремизок 7, перемещающих углеродные нити в вертикальном направлении для образования зева. В зев рапирой 10 вводится углеродная нить (уточная нить), которая прибивается к опушке ткани бердом 8, совершающим возвратно-поступательное движение. У опушки углеродной ткани нити основы, переплетаясь с нитью утка, образовывают углеродную ткань, которая огибает грудницу, вальян 11, направляющие валики 14 и наматывается на товарный вал 15. Для более плотного наматывания ткани на товарный вал в лабораторном комплексе получения прекурсоров применяется прижимной вал 16.

3. Порядок выполнения работы

Задание. Получение ткани полотняного переплетения на основе углеродных нитей

1. Отпустить углеродные нити со шпулярника и навоя с ленонитями и нитями ложной кромки в рабочую зону лабораторного технологического комплекса получения прекурсоров и создать необходимое натяжение нитей.

2. Разделить углеродные нити в вертикальной плоскости на две части – зевообразование.

3. Проложить в образованный зев углеродную нить.

4. Прибить проложенную в зев углеродную нить к опушке ткани и сформировать новый элемент углеродной ткани.

5. Отвести наработанный элемент ткани из рабочей зоны лабораторного технологического комплекса получения прекурсоров.

6. Намотать рулон углеродной ткани.

7. Отобрать пробы углеродной ткани для испытаний.

8. Ткань маркировать, упаковать и оставить на хранение.

4. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о работе должен содержать:

1. Схему лабораторного технологического комплекса получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD.

2. Краткое описание получения углеродной ткани полотняного переплетения с помощью лабораторного технологического комплекса получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD.

3. Образец углеродной ткани полотняного переплетения.

4. Вывод.

5. Контрольные вопросы

1. В каких случаях применяют тканые структуры в изделиях из ПКМ?

2. Какие структуры называются ткаными? Какие разновидности тканых структур вы знаете?

3. Схемы переплетения тканых структур.

4. Как вырабатываются тканые структуры на лабораторном технологическом комплексе получения прекурсоров рапирного типа DORNIER GTV8/SD?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мшвениерадзе, А. П. Технология и оборудование ткацкого производства: учебник для средн. спец. учебн. заведений / А. П. Мшвениерадзе. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 376 с.

Лабораторная работа № 2