Разработка многослойных кремнеземных тканей разреженных структур

Технический прогресс в большинстве отраслей гражданского и военного машиностроения: авиационной, космической, автомобильной, судостроительной промышленности, в транспортном машиностроении и ряде других отраслей — определяется в значительной степени заменой традиционных металлических конструкций на конструкции из композиционных материалов.

За истекшее десятилетие аналогичные устойчивые тенденции сложились в сфере промышленного и гражданского строительства, ставшей в развитых зарубежных странах столь же крупным потребителем композиционных материалов, что и высокотехнологичные сектора машиностроения.

Расширение спроса на изделия и конструкции из композиционных материалов приводит к радикальным технологическим изменениями в отраслях-производителях стеклопластиков. Они переходят к качественно новым технологиям, использующим совершенно иные виды производственного оборудования взамен традиционных, связанных с механической обработкой композитов. Так же это связано с применением новых видов волокон и нитей, с переходом к использованию армирующих материалов новых структур.

Расширение спроса на композиционные материалы вызывает технологические изменения так же в отрасляхпроизводителях армирующих материалов.

Переход к использованию многослойных тканей открывает путь к качественно новым инновационным технологиям, как в применении сырья, так и в производстве изделия, используемых для создания композиционного материала.

Для России вопрос изготовления технического текстиля, особенно многослойных тканей, является стратегическим. Бытовой текстиль можно купить в других странах, но современный технический текстиль необходимо 4 разрабатывать самим. Поэтому задача производства технического текстиля всегда актуальна.

Многослойные ткани из стеклянных волокон достаточно давно используются как армирующий материал для композиционных материалов конструкционного назначения с целью получения высокой механической прочности, низкой теплопроводности, термои химической стойкости, хорошими диэлектрическими и звукоизоляционными свойствами.

Наряду с этим в настоящее время широкое применение получили многослойные ткани в качестве теплоизоляционных материалов. Так, например, многослойные кремнезёмные ткани используются как высокоэффективная защита и теплоизоляция, которая работает при длительной многоцикловой нагрузке при температуре до 1100 °C, а в условиях кратковременных тепловых нагрузках эти ткани работают до 1400 °C.

Однако их значительная масса, необходимость пропитки связующим приводит к высоким ценам и использованию в областях специального назначения.

В металлургической промышленности стоит задача снятия термических напряжений в отливках металла больших объёмов. Постепенное равномерное остывание металла позволяет исключить микротрещины в структуре металла, тем самым повысить его качественные характеристики. Для обеспечения этого процесса предложено применение покрывал из теплозащитных материалов, толщина и количество которых может регулироваться в зависимости от температурных показателей отливок металла. До недавнего времени в металлургической промышленности России использовались каолиновые маты. Однако, их применении ограничивает срок службы .

Взамен этим каолиновым матам предлагается использование многослойных кремнезёмных тканей, которые обеспечат не только надёжную теплозащиту объекта, но и будут иметь низкую объёмную 5 плотность, долговечность при эксплуатации. Такие ткани имеют значительную толщину от 10 до 50 мм при наличии воздушных пространств в строении тканей и используются без пропитки связующим.

Многослойные ткани слоисто-каркасной структуры отвечают требованиям по теплозащите и являются конечным продуктом в технологической цепочке. Всё это характеризует новый подход к решению задачи расширения ассортимента многослойных тканей теплозащитного назначения и области их применения.

Кремнезёмные нити, обладая высокой прочностью, являются хрупкими неустойчивыми к истирающим нагрузкам, имеют недостаточное разрывное удлинение 1 — 2%, что вызывает технологические трудности при их применении для получения многослойных тканей.

Многослойные кремнезёмные ткани слоисто-каркасной структуры формируются из кремнезёмных текстурированных нитей различных систем, которые получили название каркасной и перевязывающей. Их роль, расположение в объёме ткани и, особенно, уработка резко различаются. Технология их выработки на отечественном оборудовании изучено недостаточно.

Данная работа посвящена разработке новых облегчённых кремнезёмных многослойных тканей технического назначения и технологии их изготовления на отечественном оборудовании, исследованию параметров строения и свойств тканей технического назначения.

Научная новизна работы.

— доказательство возможности изготовления исследуемых тканей на основе использования критерия прочности В. В. Москвитина;

— расчёт параметров напряжённо-деформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке на основе наследственной теории вязкоупругости;

— построение геометрической модели строения облегчённой кремнезёмной многослойной ткани слоисто-каркасной структуры;

— разработка требований к кремнезёмным тканям, используемых в технических целях;

— определение уровня натяжения нитей основы каркасных и перевязывающих слоёв облегчённой кремнезёмной многослойной ткани, позволяющих оптимизировать структуру тканей.

Практическая значимость работы.

— разработка новых облегчённых кремнезёмных многослойных тканей, обладающих необходимыми свойствами;

— исследование основных свойств и параметров строения исследуемых тканей, что позволяет прогнозировать их дальнейшее использование в различных конструкциях;

— анализ напряжённо-деформированного состояния заправки ткацкого станка, исследование натяжения основы в различные периоды тканеформирования;

— разработка рекомендаций по изготовлению исследуемых тканей на отечественном ткацком станке;

— внедрение результатов работы на ЗАО «ТРИ-Д».

1.Литературный обзор

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате проведённых исследований в данной работе установлено, что использование нетрадиционных видов нитей в сочетании с инновационными ткаными структурами позволяет получить на их основе многослойную кремнезёмную ткань облегчённого типа с заданными техническими характеристиками.

2. На аналитическом уровне с использованием критерия длительной прочности В. Москвитина доказана возможность изготовления кремнезёмных многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании.

3. Предложена методика расчёта объёмного заполнения многослойной кремнезёмной ткани слоисто каркасной структуры с учётом особенности строения ткани и деформационных нагрузок в процессе тканеобразования.

4. По результатам испытаний на разрывной машине с постоянной скоростью деформирования определены вязкоупругие параметры кремнезёмных нитей различной линейной плотности на основе функционых зависимостей наследственной теории вязкоупругости Больцмана — Вольтера.

5. Проведён расчёт параметров напряжённо — деформированного состояния нитей основы и утка в зоне формирования ткани, показана степень влияния релаксационных процессов на условия формирования ткани.

6. Проведены экспериментальные исследования натяжения основных нитей на ткацком станке, позволившие предложить оптимальные технологические параметры изготовления кремнезёмных облегчённых многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании.

7. Разработаны технические требования, выполнение которых обеспечивает получение многослойных тканей с высокими теплофизическими свойствами. Этому способствует использование слоисто-каркасной структуры ткани, кремнезёмных текстурированных нитей значительной толщины 540, 720 текс, разрежение строения ткани во внутренних слоях.

8. Выявлено влияние числа слоев (от 8 до 32) и соотношение основных систем (1:1- 1:2- 2:2) на свойства многослойной кремнезёмной ткани облегчённого типа (МКТО) слоисто-каркасной структуры. Определено рациональное строение МКТО с учётом заданной толщины, поверхностной и объёмной плотности ткани, уработки нитей в многослойных тканях, а также её формоустойчивости.

9. Установлено, что МКТО-12 отвечает предъявляемым требованиям, технологична в ткачестве и обладает необходимой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0,113 Вт/мК) и термосопротивлением (коэффициент термосопротивления 0,112 мК/Вт).

10. Предложена последовательность технологических процессов, обеспечивающих получение МКТО заданной толщины (12±1 мм) при снижении объёмной плотности до 0,35 г/см3. В технологический план выработки включены процессы кручения и текстурирования кремнезёмных нитей, процессы подготовки основных каркасных и перевязывающих нитей и их порядок размещения на шпулярнике ткацкого станка.

11. Разработана технология изготовления слоисто-каркасной многослойной ткани с использованием отечественного оборудования и с учётом свойств кремнезёмных текстурированных нитей. Выбраны следующие параметры: скорость ткацкого станка 130 об" 1, величина заступа 340°, прибойная полоска 1−2 мм, вынос зева увеличен за счёт расположения основных нитей на шпулярнике и распределения их в скальном устройстве.

12. Сочетание кручения и текстурирования кремнезёмных аппретированных нитей позволяет увеличить их линейную плотность до 720 текс (180 текс х4) для уточных и основных каркасных нитей, а для перевязывающих основных нитей до 540 текс (180 текс хЗ). Поперечные размеры этих нитей увеличились в 3,9 раза и в 3 раза соответственно.

13. В результате процесса ткачества наблюдалось незначительное снижение одноцикловых характеристик кремнезёмных текстурированных нитей, вынутых из ткани МКТО, что подтверждает теоретические исследования.

14. Исследование срезов многослойных тканей слоисто-каркасной структуры свидетельствует о том, что поперечные сечения нитей каркасных и перевязывающих слоёв имеют форму близкую к эллипсу. Трансверсальный слой, образованный переплетением перевязывающей основы с утком, имеет угол наклона 29−34°, что приводит к уменьшению толщины многослойной ткани. Воздушные промежутки в ткани слоисто-каркасной структуры имеют различную конфигурацию и размеры.

15. По фотографиям срезов МКТО установлено, что коэффициент смятия нитей основы и утка во внешних слоях многослойных тканей больше, чем во внутренних. Во внешних слоях: По.б.= 1,34−5-1,32, По.м.^ 0,88-Ю, 7- Пу. б=1,33−1,24, Пу. м= 0,85−0,77. Во внутренних слоях По.б.=1,1 1-Ю, 93, По. м = 1,04-Ю, 91- Пу. б=1,01−1,00, пум=1,0−0,97. Порядок фазы строения МКТО облегчённого типа составил в каркасных слоях 6,5−6,8 ПФС, в перевязывающих слоях 5,9−6,7 ПФС.

16. Нагружение верхних каркасных слоев МКТО приводит к увеличению натяжения нитей и значительному воздействию на расположения нитей и слоёв в многослойной ткани. Угол наклона трансверсального слоя увеличивается от 35 до 68°, что существенно влияет на толщину многослойной ткани. При этом объёмное заполнение составляло 0,35−0,3 г/см3.

17. Учитывая фактор интенсивного взаимодействия основных кремнезёмных текстурированных нитей при выработке многослойной ткани, за рациональное нагружение каркасных нитей предлагаем принять следующие: 1-ая и 2-ая нить 0]+02= 120+90- 3-я нить 01+02=90+60- 4-я нить 01+02=60+30. Это позволяет увеличить угол наклона трансверсального слоя до 68° и получить ткань наибольшей толщины 13,47 мм с минимальным заполнением волокнистым материалом 0,3 г/см .

18. Для исследования свойств и строения МКТО и используемых для их выработки нитей, применялись стандартные методики, а так же информационные технологии в виде программы КЕЭКЛУШ версия 7.3.2. ЗБ+, позволяющей получить и автоматизировать процесс оформления изображений срезов многослойных тканей. Запись тензограмм натяжения нитей основы осуществлялась автоматизированной информационно-измерительной системой (АИИС), позволяющей повысить оперативность и достоверность результатов.

19. Теплофизические характеристики МКТО показывают, что при кратковременном воздействии температур от 200° до 1200° теплопередача с рабочей поверхности ткани на противоположную не превышает 50%. Сравнение МКТО облегчённого типа и многослойных тканей, ранее используемых для получения теплозащитных материалов типа МКТ-6,0 и МКТ-3,0 показало, что их коэффициент теплопроводности больше в 1,3 — 1,7 раза, чем в МКТО рациональной структуры. Использование слоисто-каркасной структуры для многослойной ткани из кремнезёмных текстурированных нитей повышает коэффициент термосопротивления в 2,85,6 раза.

20. Для МКТО рациональной структуры, разработаны ТУ 5952−1 820 524 426−2008 «Ткань кремнезёмная многослойная облегчённая марки МКТО-12».

Получен патент РФ на изобретение № 2 169 568 от 27.03.2001. «Ткань многослойная и способ её изготовления».

Получены патенты РФ на промышленные образцы:

Патент № 40 438 на промышленный образец «Ткань».

Патент № 40 439 на промышленный образец «Ткань».

Патент № 41 039 на промышленный образец «Ткань».

Патент № 41 327 на промышленный образец «Тканный материал».