Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням

Реферат: Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням містить матрицю та волоконне зміцнення, утворене не менш ніж двома розташованими під кутом одна до одної однаковими чи різними основними системами волокон або жмутів волокон, причому короткі волокна додаткової системи волокон або жмутів волокон із направленими під кутом до площини розташування вказаних основних систем вільними кінцями з'єднані петльовим з'єднанням із не менш ніж одним волокном або жмутом волокон не менш ніж однієї із вказаних основних систем волокон або жмутів волокон. UA 91056 U (12) UA 91056 U UA 91056 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі удароміцних матеріалів і захисних конструктивних елементів та засобів оборони на основі одно- та багатошарових матеріалів текстильного тканого, в'язаного, плетеного чи ін. волоконного армувального зміцнення із полімерною, металевою, керамічною чи ін. матрицею. Матеріал може застосовуватись, зокрема, для виготовлення конструктивних елементів захисного спорядження, форми одягу, щитів, елементів рятувального і захисного обладнання, транспортних засобів протипожежного, якщо пожежа супроводжується ймовірними вибухами чи розлітанням осколків, антивандального для використання міліцією, рятувальними командами, що працюють у вибухонебезпечних умовах чи при природних катаклізмах, таких як град та ін. призначення, елементів конструкції наземних та повітряних транспортних засобів, зокрема металевих волоконнозміцнених деталей і елементів конструкції. Відомі композиційні матеріали із волоконним армуванням [1-2]. Текстильний композиційний матеріал за описом аналогу [1] містить два в'язаних полотнища, утворених відповідно двома системами волокон, прошитих між собою волокнами третьої системи волокон, що зменшує взаємний рух і прослизання полотнищ при докладанні навантаження, перешкоджаючи розшаруванню матеріалу. Проте недоліком являється низький опір матеріалу навантаженню, вектор докладання якого має ненульову проекцію на нормаль до поверхні волоконнозміцненого шару. Наприклад, таким навантаженням може бути удар уламків по поверхні шаруватого матеріалу, зокрема, при їх зустрічі під кутом, близьким до 90°. Збільшити опір матеріалу до пошкодження і руйнування в напрямку нормалі до поверхні шарів можна шляхом створення тривимірної структури армування за допомогою так званих умовно нескінченних волокон, а саме шляхом вплетення волокон третьої системи у багатошарову структуру двовимірно зміцнених шарів. Так, у аналогу [2] реалізоване тривимірне волоконне зміцнення композиційного матеріалу, що містить тканину із переплетених волокон основи і утоку, причому волокна утоку переплітають волокна основи одказу декількох, а саме як мінімум трьох, шарів, за рахунок чого всі шари виявляються скріпленими між собою у тривимірну структуру. Недоліками такої схеми армування є відособлене створення опору навантаженню в напрямі волокон основи в основному лише направленими в цьому ж напрямі волокнами, що сприяє такому типу пошкодження як вирив волокон, понижений опір в площині волокон утоку внаслідок високої хвилястості їх укладки, що вимагає високої адгезії волокон і матриці та застосування високоміцних матриць, а також складність і висока вартість виготовлення. Вибраний за прототип текстильний композиційний матеріал [3] містить армуюче волокно і матричний матеріал, армуюче волокно являє собою волоконні жмути чи ниті із індивідуальних волокон, причому волоконна армуюча фаза може бути виконана у вигляді тканини, чи текстильного полотна, в т.ч. може містити систему волокон основи і систему волокон утоку. Прототип характеризується аналогічними до інших подібних матеріалів недоліками у вигляді низького опору навантаженню по нормалі до шарів композиту. Структура армування не забезпечує відсутність прослизання і відповідно відносного руху волокон однієї із систем відносно волокон іншої, розташованої під кутом до першої, що призводить до низького опору виривання волокон слабо пов'язаних між собою систем волокон, кожна з яких відповідає укладці волокон в кожному окремому напрямі. Створення опору докладеному в напрямі укладки волокон певної системи навантаженню у високій степені реалізовується саме цією системою відокремлено від інших. Перерозподіл напружень на усі системи волокон відбувається завдяки матеріалу матриці, що ставить високі вимоги до якості адгезії волокна і матриці і до міцності матеріалу матриці. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення функціональності композиційних матеріалів і деталей із них, забезпечення опору матеріалу пошкодженню і руйнуванню у перпендикулярному до шару композиту напрямі, підвищення міцності матеріалу в умовах об'ємного напружено-деформованого стану, розширення діапазону експлуатаційних навантажень, в тому числі ударних, підвищення захисних протиударних властивостей. Дана задача вирішується за рахунок того, що волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням, що містить матрицю та волоконне зміцнення, утворене не менш ніж двома розташованими під кутом одна до одної однаковими чи різними основними системами волокон або жмутів волокон, згідно з корисною моделлю виконаний так, що короткі волокна додаткової системи волокон або жмутів волокон із направленими під кутом до площини розташування вказаних основних систем вільними кінцями з'єднані петльовим з'єднанням із не менш ніж одним волокном або жмутом волокон не менш ніж однієї із вказаних основних систем волокон або жмутів волокон. Оптимальним для роботи на прямий удар є кут у 90°, що відповідає напряму по нормалі, чи перпендикулярно, до площини розташування волокон 1 UA 91056 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 основних систем. Незначні відхилення від перпендикулярного напряму не відміняють суттєвої ознаки направленості значної кількості із волокон у напрямку, близькому до перпендикулярного, що сприяє створенню як цими, так і нахиленими волокнами складової опору навантаженню саме по нормалі. Петльове з'єднання лінійних елементів (волокон чи жмутів волокон) як метод забезпечення їх сумісного переміщення по одному або декількох напрямках шляхом відповідного взаємного направлення і розташування (за допомогою накладання, перехрещування, згину, півохвату, охвату, кручення та ін.) може згідно з корисною моделлю бути виконане шляхом утворення даними лінійними елементами вузлів, відмінною ознакою яких являється в даному випадку забезпечення сумісного переміщення з'єднаних вузлом ділянок лінійних елементів у всіх можливих напрямках їх руху. Таким чином, якщо волокна додаткової системи зв'язані із волокнами основних систем вузлами, це гарантує сумісне переміщення розташованих у межах вузла ділянок волокна при деформації композиту. В даному контексті слід зауважити, що тертя між волокнами та різними ділянками того самого волокна відіграє певну роль в унеможливленні проковзування з'єднаних петлями волокон між собою, наближаючи характеристики такого з'єднання до вузла. Місцем утворення петлі чи вузла, згідно з корисною моделлю, може бути місце максимального взаємного наближення волокон декількох чи усіх основних систем волокон, тобто систем, розташованих цілком у площині шару композиту, яким є місце їх перехрещення. Передбачається, що в таких місцях перехрещення волокна чи жмути волокон самих основних систем можуть також бути з'єднані між собою петлями, вузлами чи іншим чином. В загальному ж випадку основні, розташовані цілком у площині шару композиту, системи волокон або жмутів волокон можуть представляти собою ткане, в'язане чи трикотажне полотно. Так як вільні кінці волокон додаткової системи направлені у перпендикулярному до площини розташування вказаних основних систем волокон напрямі, цим напрямом, згідно з корисною моделлю, може бути напрям як додатної чи від'ємної нормалі по-окремості, так і обох нормалей одночасно. В першому випадку волокна додаткової системи цілком розташовуються в межах товщини шару композиційного матеріалу, який містить основні і додаткову системи волокон та матрицю, границями якої товщина шару і визначається, якщо вільні кінці волокон додаткової системи виконані, згідно з корисною моделлю, не довшими за товщину шару. У другому випадку волокна додаткової системи цілком розташовуються в межах товщини шару композиційного матеріалу, якщо вільні кінці волокон додаткової системи виконані, згідно з корисною моделлю, не довшими за половину товщини шару. Петльове з'єднання волокон, згідно з корисною моделлю, може бути виконане шляхом утворення волокнами петель із огинанням волокном або жмутом волокон додаткової системи волокна або жмута волокон основної системи послідовно у напрямках донизу направо з тильної сторони, далі наліво з тильної сторони, далі догори з лицевої сторони волокна чи жмута волокон додаткової системи, далі направо з тильної сторони, далі донизу наліво з тильної сторони волокна або жмута волокон додаткової системи, але з лицевої сторони волокна або жмута волокон основної системи чи дзеркально до описаних напрямів, із наступною затяжкою петлі. Петльове з'єднання волокон, згідно з корисною моделлю, може бути виконане шляхом утворення волокнами петель із огинанням волокном або жмутом волокон додаткової системи волокна або жмута волокон основної системи послідовно у напрямках догори направо з лицевої сторони, далі наліво з тильної сторони, далі вниз з лицевої сторони волокна чи жмута волокон додаткової системи, далі направо з тильної сторони, далі наліво догори з лицевої сторони, але з тильної сторони волокна або жмута волокон додаткової системи чи дзеркально до описаних напрямів, із наступною затяжкою петлі. Можливими є будь-які інші варіанти петльового з'єднання волокон систем. Запропоноване рішення дозволяє підвищити функціональність композиційних матеріалів і деталей із них, забезпечити опір матеріалу пошкодженню і руйнуванню у перпендикулярному до шару композиту напрямі, підвищити міцність матеріалу в умовах об'ємного напруженодеформованого стану, розширити сфери і умови застосування, діапазон експлуатаційних навантажень, в тому числі ударних, підвищити захисні протиударні властивості, так як завдяки запропонованій згідно з корисною моделлю схемі армування забезпечується сумісна робота систем волокон, які забезпечують створення опору навантаженню в трьох вимірах, тобто як у площині шару композиту, так і перпендикулярно до неї, а перерозподіл напружень при докладанні навантаження між ними реалізувати не лише за рахунок адгезії матриці і волоконного зміцнення, але і за рахунок формування волоконним зміцненням єдиної силової 2 UA 91056 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 каркасної сітки всередині матеріалу. Навантаження, докладені до однієї із систем волокон, передаються на інші завдяки їх нерухомому, хоча припустимо гнучкому, з'єднанню у вузлах, що різко знижує вимоги до якості адгезії, хімічного чи фізичного зв'язку волокон і матриці, поверхневого шару між ними, а при незмінних вказаних факторах - підвищити показники міцності, зокрема, при ударі. Це відкриває перспективи створення в т.ч. полімерно-металевих композитів, композитів із металевою матрицею і вуглецевим волоконним зміцненням чи на основі гібридних волокон навіть при порівняно незначній адгезії вказаних матеріалів. Встановлено, що додатковими механізмами пошкодження запропонованих волоконнозміцнених композиційних матеріалів із тривимірним петльовим армуванням, які сприяють підвищеному енергопоглинанню матеріалу при статичному та динамічному навантаженні, являється, у додаток до виривання волокон, продавлювання волокон суміжних волоконних систем через матеріал матриці. Таким чином, корисна модель уможливлює створення нових типів композиційних матеріалів із покращеними функціями роботи при навантаженні, що дозволяє застосовувати їх у ширшому діапазоні експлуатаційних навантажень, в тому числі для захисту від удару. Принципові схеми варіантів петльового з'єднання зображені на фіг. 1. та фіг. 2. Принципова схема варіанту утвореної структури волоконного армувального зміцнення проілюстрована фіг. 3. На фіг. 1 проілюстровано один із варіантів петльового з'єднання волокон, який реалізується наступним таким чином. Волокно чи жмут основної системи 1 (або волокна декількох чи всіх основних систем) огинається волокном чи жмутом додаткової системи 2 послідовно у напрямках донизу направо з тильної сторони, тобто проходячи під волокном, утворюючи перший із напустків, позначених колами, такими як 3, а саме напусток "а", далі наліво з тильної сторони, напусток "б", далі догори з лицевої сторони самого себе, тобто поверх самого себе, напусток "в", далі направо з тильної сторони, нахлист "г", далі донизу наліво з тильної сторони самого себе, напустки "д" і "є", але з лицевої сторони волокна або жмута волокон основної системи 2, напусток "є". На фіг. 2 проілюстровано можливий варіант петльового з'єднання волокон, який реалізується наступним таким чином. Волокно чи жмут основної системи 1 (або волокна декількох чи всіх основних систем) огинається волокном чи жмутом додаткової системи 2 послідовно у напрямках догори направо з лицевої сторони, тобто поверх волокна, утворюючи перший із напустків, позначених колами, такими як 3, а саме напусток "а", далі наліво з тильної сторони, тобто попід волокном, напусток "б", далі вниз з лицевої сторони волокна чи жмута волокон додаткової системи, напусток "в", далі направо з тильної сторони, напусток "г", далі наліво догори з лицевої сторони волокна основної системи (чи волокон основних систем), напусток "д", але з тильної сторони самого себе, напусток "е". Аналогічного результату можна досягти, пропускаючи волокна дзеркально до описаних напрямів. Заштрихованими ділянками, такими як 4, позначено на фіг. 1 та фіг. 2 перерізи волокон, в яких вони продовжуються, поєднуючи показані на фігурах елементи структури волоконного зміцнення із непоказаною на фігурах частиною всього волоконного зміцнення шару одно- чи багатошарового композиційного матеріалу. Вільні кінці 5 волокон додаткової системи волокон 2 після затяжки вузла виявляються направленими перпендикулярно до площини волокон основних систем 1. Причому описані утворені волокнами додаткової системи волокон петлі або вузли розташовуються на свобідних ділянках волокон основної системи 2 чи на ділянках з'єднання, зокрема, переплетення, чи перехрещення волокон різних основних систем 2. В кожному випадку на фіг. 1 і фіг. 2 цим ділянкам відповідає ділянка 6. Спрощено варіант утвореної структури волоконного армувального зміцнення показано на фіг. 3. Позначення аналогічні описаним вище. При затяжці вузла всі напустки 3 збігаються до області ділянки 6, яка може співпадати з свобідною ділянкою 7 волокон основної системи 2 чи з ділянкою 8 з'єднання, зокрема, переплетення, чи перехрещення волокон різних основних систем 2. На фіг. 3 петлі чи вузли показано розташованими саме на ділянках перехрещення чи переплетення, аналогічних до ділянки 8. Приклади реалізації. Для виготовлення композиційного матеріалу використали 2 шари, кожен із волоконним зміцненням із плетенням, проілюстрованим фіг. 1 і фіг. 2 відповідно на основі жмутів скловолокон із вмістом 15 % базальтових волокон. Для армування кожного шару була сформована волоконнозміцнена структуру за типом, приведеним на фіг. 3. Укладені шари волоконного зміцнення послідовно поєднувалися із матеріалом матриці на основі смоли ЭД-20 за ГОСТ 10587-84. Сформовані шаруваті композити піддавались затвердінню протягом 48 год. Тестування ударної міцності провели за допомогою установки "aSTanin" ("Acceleration System 3 UA 91056 U 5 10 15 for Testing of Antidamage Innovations") при швидкостях до 315 м/с із застосуванням сталевого -3 -3 ударника зі сферичною носовою частиною діаметром 4,5-10* м масою 0,3-10 кг та 0,4-10 кг, що імітували пошкоджуючі уламки. Застосування тривимірного петльового армування дозволило забезпечити підвищення енергопоглинання зразків композиційного матеріалу розміром 50 × 50 мм на 21,8±5 % у порівнянні із аналогічним матеріалом без застосування тривимірного петльового армування натомість із поздовжнім укладанням волокон. Проведені експериментальні дослідження підтверджують підвищені експлуатаційні характеристики виготовленого згідно із корисною моделлю матеріалу. Джерела інформації: 1. Патент US 6244077 В1. Multilayer knitted structure and method of producing the same. P. Offermann, G. Hoffmann, U. Engelmann - Опубл. 12.06.2001. - аналог 2. Патент US 0323574 ΑΙ. 3D composite fabric. P. Dunleavy - Опубл. 23.12.2010. - аналог 3. Патент DE 102011083160 Al. Textile-reinforced fibre compound and method for the nondestructive testing of fibre orientation and layer structure in components made of textile-reinforced compound materials. M. Andrich, R. Fuesel, L. Voelker, W. Hufenbach - Опубл. 21.03.2013. – прототип ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням, що містить матрицю та волоконне зміцнення, утворене не менш ніж двома розташованими під кутом одна до одної однаковими чи різними основними системами волокон або жмутів волокон, який відрізняється тим, що короткі волокна додаткової системи волокон або жмутів волокон із направленими під кутом до площини розташування вказаних основних систем вільними кінцями з'єднані петльовим з'єднанням із не менш ніж одним волокном або жмутом волокон не менш ніж однієї із вказаних основних систем волокон або жмутів волокон. 2. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що петльове з'єднання виконане шляхом утворення вказаними короткими волокнами додаткової системи волокон або жмутів волокон вузлів. 3. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що петльове з'єднання волокон виконане шляхом утворення вказаними короткими волокнами додаткової системи волокон або жмутів волокон вузлів у місцях перетину волокон або жмутів волокон основних систем. 4. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що короткі волокна додаткової системи волокон або жмутів волокон виконані із вільними кінцями, не довшими за товщину шару матриці композиційного матеріалу. 5. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що короткі волокна додаткової системи волокон або жмутів волокон виконані із вільними кінцями, не довшими за півтовщину шару матриці композиційного матеріалу. 6. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що петльове з'єднання виконане із забезпеченням розташування обох вільних кінців коротких волокон додаткової системи волокон або жмутів волокон по одну сторону від поверхні утвореного основними системами волокон або жмутів волокон волоконного зміцнення композиційного матеріалу. 7. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що петльове з'єднання волокон виконане шляхом утворення ними петель із огинанням волокном або жмутом волокон додаткової системи волокна або жмута волокон основної системи послідовно у напрямках донизу направо з тильної сторони, далі наліво з тильної сторони, далі догори з лицевої сторони волокна чи жмута волокон додаткової системи, далі направо з тильної сторони, далі донизу наліво з тильної сторони волокна або жмута волокон додаткової системи, але з лицевої сторони волокна або жмута волокон основної системи чи дзеркально до описаних напрямів, із наступною затяжкою петлі. 8. Волоконнозміцнений композиційний матеріал із тривимірним петльовим армуванням за п. 1, який відрізняється тим, що петльове з'єднання волокон виконане шляхом утворення ними петель із огинанням волокном або жмутом волокон додаткової системи волокна або жмута волокон основної системи послідовно у напрямках догори направо з лицевої сторони, далі наліво з тильної сторони, далі вниз з лицевої сторони волокна чи жмута волокон додаткової системи, далі направо з тильної сторони, далі наліво догори з лицевої сторони, але з тильної 4 UA 91056 U сторони волокна або жмута волокон додаткової системи чи дзеркально до описаних напрямів, із наступною затяжкою петлі. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5