В настоящее время современная промышленность освоила значительное количество новых методов производства композиционных материалов [1–3]. Среди них – и способ изготовления ПКМ на основе плетеных преформ, который является конкурентоспособной альтернативой такому уже давно используемому технологическому процессу, как намотка. Возможность получения материалов с точным соответствием производимого изделия заданной внешней форме, их устойчивостью к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропностью или наоборот, при необходимости, градиентностью свойств, снижением массы конструкций при сохранении высоких эксплуатационных свойств [4–6], сокращением трудоемкости технологических процессов, их автоматизации и роботизации – все это является серьезными достоинствами этого процесса. Кроме того, характерными особенностями изготовления ПКМ с применением плетеных преформ являются возможность вплетения закладных элементов, возможность оплетки оправок сложной формы, применение при изготовлении изделий современных, экономически эффективных технологий пропитки [7].

Современные технологии плетения позволяют изготовлять преформы как в виде «мягкого рукава», так и ткани или многослойной оплетки оправки, при необходимости и переменного диаметра. Использование в качестве материала для изготовления преформ практически любого волокна, такого как углеродное, стеклянное, базальтовое или волокно природного происхождения (например льняное), позволяет конструкторам проектировать изделия с широким спектром свойств и в широком ценовом диапазоне [8].

Использование стандартных технологий при изготовлении конструкций сложного профиля является непростой задачей по причине сложности раскроя заготовок препрегов (в случае применения препреговой технологии) и необходимости применения ручной выкладки в зонах сложных переходов. Использование же текстильных преформ (в данной статье в первую очередь пойдет речь о преформах, выполненных методом плетения), которые характеризуются высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы (см. рисунок), позволяет решать эту задачу значительно проще, обеспечивая возможность автоматизации процесса [9]. Для изготовления изделий на основе таких преформ чаще всего используются уже ставшие привычными безавтоклавные способы формования, такие как вакуумная инфузия и пропитка под давлением [10, 11].

Несмотря на видимые преимущества отечественные технологии безавтоклавного изготовления ПКМ с применением плетеных преформ в настоящее времени не получили развития. Ряд попыток освоения этой технологии в последние годы привел к изготовлению лишь нескольких опытных образцов, таких как лопатка авиадвигателя, рама иллюминатора и других, но развития технология не получила ввиду отсутствия как своей завершенности, так и современного оборудования для серийного производства изделий [12].

Схемы армирования плетеных преформ

Существуют две основные схемы армирования, применяемые при изготовлении плетеных преформ, – биаксиальная и триаксиальная (см. рисунок). В первом случае используются только две нити, чаще всего переплетаемые под углами от 30 до 60 град. Во втором случае добавляется третья нить, располагающаяся под нулевом углом. Введение этой нити в схему армирования значительно изменяет физико-механические свойства уже готового композиционного материала, что будет показано далее.

Современное оборудование для плетения [13] позволяет производить плетеные преформы (как рукава, так и ткани) самых разных размеров и схем плетения  с высокой производительностью – например, на плетельных установках производства фирмы Herzog (Германия) возможно изготовление материалов с различными параметрами (табл. 1).

Таблица 1

Свойства плетеных преформ, производимых на оборудовании фирмы Herzog (Германия)

В настоящее время за рубежом использование технологии плетения широко освоено компаниями SGL Group (Германия), Eurocarbon (Нидерланды), SILTEX (Германия), A&P Technology (США) и другими – для изготовления преформ, используемых для производства стрингеров, шпангоутов, несущих конструкций самолетов, лопастей винтов, элементов фюзеляжа и шасси, корпусов вентилятора авиадвигателя.

Такие преформы получили коммерческое распространение  и производители приводят информацию по материалам, выполненным на основе этих преформ. Например компания A&P Technology [14], известная своими работами в области изготовления и внедрения плетеных преформ в авиационной и космической промышленности (с ее участием успешно изготовлены и внедрены в производство лопатки авиадвигателя, шпангоуты и многое другое), публикует следующие данные по свойствам материалов (табл. 2).

Таблица 2

Свойства материалов на основе плетеных преформ [14]

Видно, что в случае использования триаксиального плетения механическая прочность материала заметно повышается.

В работе той же фирмы на примере углепластика на основе волокна AS4 и эпоксидной смолы EPON9504 (табл. 3) показано, что увеличение угла плетения приводит к снижению прочности и модуля упругости при растяжении углепластика.

Таблица 3

Влияние угла плетения на свойства углепластика AS4/EPON9504

(данные A&P Technology (США))

Исследование влияния различных эпоксидных связующих на механические свойства материала при использовании триаксиальных структур показано в работе [15]. Образцы ПКМ, выполненные методом RTM, на основе углеволокна TORAYCA T700S с углом армирования ±60 град и различных связующих показали следующие механические свойства (табл. 4).

Видно, что выбор связующего оказывает значительное влияние на свойства материала. Отметим также, что авторы [15] при изготовлении образцов плетеных преформ использовали разный номинал углеволокна: в направлении армирования [0°] – волокна 24К, в направлении армирования [±60°]  – 12К.

Таблица 4

Влияние связующего на механические свойства ПКМ,

выполненных на основе триаксиальных преформ

В работе [16] представлены механические свойства образцов, изготовленных с использованием преформ на основе углеродного наполнителя Т-700 и эпоксидных связующих 5208 и М36, соответственно – T700/5208 и T700/M36. Видно, что с увеличением угла плетения уменьшаются прочность и модуль упругости при растяжении и сжатии при приложении нагрузки в направлении [0°], в то же время при приложении нагрузки в направлении [90°] наблюдается увеличение прочности и модуля при растяжении и сжатии (табл. 5).

Таблица 5

Влияние угла плетения и марки связующего на свойства углепластика

на основе волокна Т-700 и эпоксидных связующих Hexcel М36 и Cytec 5206

Необходимо отметить также значительную устойчивость к ударным нагрузкам ПКМ на основе плетеных преформ [17]. В табл. 6 представлено влияние метода изготовления преформы на сохранение прочности при сжатии после удара образцов углепластика. Сравнивались образцы, изготовленные из однонаправленной ленты (схема армирования [0°/90°]), ткани саржевого переплетения (схема армирования [0°/90°]), плетеной преформы (угол плетения 45 град). Видно, что образец, изготовленный с применением плетеной преформы, как и ожидалось, имеет максимальное сохранение прочности после удара.

Таблица 6

Сопоставление прочности при сжатии после удара образцов ПКМ,

изготовленных разными способами

Угол армирования плетеной преформы напрямую влияет на будущие свойства ПКМ, изготовленного на основе этого материала. Варьируя его, можно получать те или иные свойства, которые необходимы в конкретной конструкции, в зависимости от вида нагрузки – кручение, сдвиг, сжатие или сложные комбинации этих нагрузок. С увеличением угла плетения уменьшаются прочность и модуль упругости при растяжении и сжатии приприложении нагрузки в направлении [0°], в то же время при приложении нагрузки в направлении [90°] наблюдается увеличение прочности и модуля упругости при растяжении и сжатии. Это позволяет изготовлять преформу, схема армирования которой оптимально адаптирована к виду нагрузки будущей конструкции. При этом необходимо подчеркнуть и то, что образец, изготовленный с применением плетеной преформы, имеет максимальное сохранение прочности после удара в отличие от материалов, изготовленных по традиционным технологиям.

Таким образом, представляется несомненно важным знание закономерностей процесса изготовления ПКМ на основе армирующих плетеных преформ с целью получения материала именно с теми свойствами, которые от него ожидаются. Реализация всех достоинств этого метода также напрямую связана с пониманием особенностей как самого изготовления преформы, выбором конкретного связующего, так и способом формования самого изделия для его практического использования.