Схемы армирования
Применение сверхвысокотемпературных углерод-углеродных композиционных материалов (СВТ УУКМ) в изделиях предполагает проектирование требуемых механических свойств в заданных направлениях приложения нагрузки к элементам поверхностной конструкции. Решение этой задачи возможно при использовании в конструкциях (изделиях) CBT УУКМ с направленным армированием углеродных матриц высокопрочными или высокомодульными волокнистыми материалами с учетом преимущественных направлений приложения усилий к элементам поверхности изделий. Важны при этом структурные схемы армирующих систем, которые должны удовлетворять следующим требованиям:
1) учитывать направления максимальных действующих усилий (нагрузок) и условия работы CBT УУКМ в изделии;
2) обеспечивать свободный доступ углеродсодержащего реагента к поверхности армирующих волокон, расположенных в объеме каркаса изделия при формировании углеродной матрицы.
Целесообразно учитывать возможность механизированного изготовлении изделий из CBT УУКМ. Определяющие параметры, обеспечивающие эксплуатационную надежность изделия (каркаса) из CBT УУКМ следующие: объемное содержание высокопрочных, высокомодульных волокон в армирующих системах, геометрия расположения волокна (схема армирования) и преимущественное распределение волокон но направлениям армирования в армирующих системах. Кроме того, на свойства получаемых армирующих систем и, как следствие, на свойства CBT УУКМ оказывают влияние размеры элементарной ячейки единицы объема изделия (каркаса) и размер заготовки в поперечном сечении. Изменение геометрических параметров ячейки единицы объема изделия влияет на кинетику процесса заполнения пористой структуры углеродсодержащими неконденсированными средами при термоградиентном методе формирования пироуглеродной матрицы CBT УУКМ. Это связано с изменением структуры каналов каркаса, по которым транспортируется в зону реакции углеродсодержащий газ.
Геометрические параметры (размеры) ячейки и их количество в армирующих системах влияют также на плотность CBT УУКМ и их свойства.
Показано, что повышение плотности материала сопровождается уменьшением потери массы материала при его эксплуатации в окислительных средах и улучшением физико-механических свойств.
В практике конструирования армирующих систем наибольшее применение находит схема ортогонального армирования. При изготовлении армирующего каркаса из ортогонально-ориентированных волокнистых наполнителей между волокнами получаются нес плотности, образующие каналы, сечение и форма которых зависят от разориентации волокон в армирующих системах. При формировании армирующего каркаса строго ортогональной структуры между волокнами возникают несплошности, сечение которых имеет форму криволинейного треугольника.
Варьирование числа волокон в ортогональных структурах армирующих систем позволяет формировать армирующие системы с плотностью 0,2/0,8 г/см3. Наибольшую практическую значимость представляют пространственные схемы армирования.
Армирующие системы можно разделить на следующие группы: 1) трехмерно-направленные ортогонально-армирующие системы; 2) трехмерные с косоугольным армированием; 3) армирующие системы с осевой симметрией; 4) системы, формируемые в результате применения многонаправленных схем армирования.
Рассмотрим последовательно преимущества и недостатки каждой системы армирования при производстве CBT УУКМ.