ВОЛОКНИСТАЯ АРМИРУЮЩАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
FIBROUS REINFORCING STRUCTURE FOR FABRICATION OF PART OF COMPOSITE MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к изготовлению деталей из композитного материала, в частности к изготовлению волокнистых армирующих структур (конструкций) для таких деталей.
Конкретной областью применения изобретения является изготовление деталей из термоструктурного композитного материала, то есть материала, обладающего такими механическими свойствами, которые делают его пригодным для выполнения конструктивных элементов, и способного сохранять эти свойства при высоких температурах. В характерном случае термоструктурные композитные материалы представляют собой композитные материалы углерод/углерод (С/С), содержащие волокнистую армирующую конструкцию (структуру) или каркас из углерода, уплотненный углеродной матрицей, а также композитные материалы с керамической матрицей (CMC), содержащие жаростойкую волокнистую армирующую структуру или каркас (углеродный или керамический), уплотненный керамической матрицей.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для деталей из композитного материала определенной толщины практикуется изготовление армирующей структуры из множества наложенных друг на друга слоев, которые для предотвращения расслоения связаны между собой, в частности, способом пространственного или трехмерного тканья.
Кроме того, в особенности в том случае, когда деталь из композитного материала получают путем уплотнения волокнистой армирующей структуры способом химического осаждения из газовой фазы (CVI - от англ. "chemical vapor infiltration"), может быть полезно обеспечить легкий доступ для газовой фазы в сердцевину волокнистой структуры или обеспечить, чтобы волокнистая структура имела относительно равномерную пористость для максимально возможного снижения неравномерности уплотнения матрицей. В случае затрудненного доступа к порам волокнистой структуры или при наличии пор слишком разных размеров более мелкие поры заполняются слишком быстро, что неизбежно вызывает большой градиент уплотнения и неблагоприятно отражается на свойствах композитного материала.
В патентном документе ЕР 0489637 предложено для изготовления волокнистой армирующей структуры для детали из термоструктурного композитного материала использовать нить из волокон ограниченной длины по существу без крутки, при этом связность нити обеспечивается нитью оплетки. Эта структура может быть выполнена способом трехмерного тканья. Нить оплетки изготовлена из временного или нестойкого материала, который удаляется после тканья. Это создает возможность вспучивания волокон ограниченной длины, что способствует фракционированию пористости тканой структуры и в сочетании с трехмерным тканьем способствует доступу газовой фазы к сердцевине волокнистой структуры в процессе заключительного уплотнения способом химического осаждения из газовой фазы.
Тем не менее, при изготовлении деталей из композитного материала, которые должны иметь достаточно гладкую поверхность, необходимо выравнивание поверхности после первого этапа частичного уплотнения или этапа упрочнения для устранения неровностей, создаваемых вспучиванием на поверхности волокон ограниченной длины, освобожденных после удаления нити оплетки. Кроме того, может быть необходимо добавление слоя двухмерной ткани перед продолжением уплотнения для получения желаемого состояния поверхности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является устранение недостатков, связанных с такими дополнительными операциями, и в более широком аспекте, создание волокнистой структуры, пригодной для армирования детали из композитного материала и удовлетворяющей требованиям легкой инфильтрации газовой фазы в процессе уплотнения способом осаждения из газовой фазы, а также требованиям в отношении внешнего вида и/или особых свойств, желательных для готовой детали.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается в волокнистой армирующей структуре для детали из композитного материала, причем волокнистая структура соткана в виде единой детали и имеет внутреннюю часть или сердцевину и часть у наружной поверхности или оболочку, при этом сердцевина выполнена посредством трехмерного тканья из нитей, по меньшей мере, в большинстве образованных волокнами ограниченной длины, а оболочка выполнена посредством тканья из нитей, образованных волокнами неограниченной длины.
Такое решение способствует уплотнению волокнистой структуры способом химического осаждения из газовой фазы до самой сердцевины и устраняет резкий градиент уплотнения между сердцевиной и оболочкой, и в то же время обеспечивается сохранение состояния поверхности оболочки без значительных неровностей.
Согласно одному примеру осуществления сердцевина выполнена посредством трехмерного тканья интерлочного типа, что обеспечивает более легкий доступ газовой фазы в сердцевину каркаса, а оболочка выполнена посредством тканья с переплетением полотняного, атласного или саржевого типа, что позволяет ограничить неровности на поверхности. Тканье оболочки может представлять собой двухмерное тканье, причем в этом случае интерлочное тканье обеспечивает связь слоев утка друг с другом до самой оболочки, или тканье оболочки может представлять собой многослойное трехмерное тканье.
Согласно другому примеру осуществления сердцевина и оболочка могут быть выполнены посредством многослойного тканья с различными переплетениями, например с переплетением атласного типа в сердцевине и переплетением полотняного или саржевого типа в оболочке. Переплетение полотняного типа в оболочке обеспечивает более легкий доступ газа через оболочку по сравнению с переплетением атласного типа и, таким образом, благоприятствует уплотнению способом химического осаждения из газовой фазы до самой сердцевины.
Согласно следующему примеру осуществления оболочка выполнена с более низкой плотностью переплетения, чем сердцевина, что обеспечивает более легкий доступ газовой фазы через оболочку к сердцевине каркаса.
Возможны вариации одновременно вида трехмерного тканья и плотности переплетения между сердцевиной и оболочкой.
Кроме того, возможно формирование различных частей волокнистой структуры из нитей различной химической природы для придания им особых желаемых свойств в отношении стойкости к окислению или к износу.
Тканье сердцевины может быть выполнено из нитей, образованных волокнами ограниченной длины по существу без крутки, причем связность нити обеспечивает, по меньшей мере, одна временная нить оплетки.
Предметом изобретения является также деталь из композитного материала, содержащая волокнистую структуру в соответствии с приведенными выше определениями, уплотненную матрицей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:
Фиг.1-3 изображают трехмерное, интерлочное (двуластичное) и многослойное тканые переплетения,
Фиг.4A-4H изображают различные последовательные плоскости переплетения волокнистой армирующей структуры согласно первому примеру осуществления изобретения,
Фиг.5A-5H изображают различные последовательные плоскости переплетения волокнистой армирующей структуры согласно второму примеру осуществления изобретения,
Фиг.6A-6H изображают различные последовательные плоскости переплетения волокнистой армирующей структуры согласно третьему примеру осуществления изобретения,
Фиг.7A-7L изображают различные последовательные плоскости переплетения волокнистой армирующей структуры согласно четвертому примеру осуществления изобретения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ
Под «волокнами неограниченной длины» здесь традиционным образом подразумеваются волокнистые элементы, имеющие очень большую длину по отношению к диаметру. Так, например, применительно к армирующей структуре, которая является каркасом детали из композитного материала и изготавливается из волокон неограниченной длины, по меньшей мере, подавляющее большинство этих волокон проходят в каркасе без разрывов, непрерывно, и прерываются только за пределами геометрических размеров каркаса. Что касается синтетических волокон неограниченной длины, их обычно получают путем выдавливания через фильеру синтетического материала с возможными последующими одной или несколькими физико-химическими операциями (вытяжка, пропитка, термообработка и другие).
Нити из волокон неограниченной длины или многожильные нити формируют путем сбора в пучок волокон неограниченной длины в ряд с круткой или без нее.
Под «волокнами ограниченной длины» здесь традиционным образом подразумеваются волокнистые элементы, которые в случае синтетических волокон формируют путем резки или растяжения и разрыва волокон неограниченной длины. Волокна ограниченной длины или короткие волокна обычно имеют длину от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров.
Нити из волокон ограниченной длины или волоконную пряжу формируют путем сбора в жгут волокон ограниченной длины способом скручивания или оплетки, при этом оплетка заключается в обеспечении связности посредством намотки нити оплетки вокруг пучка волокон ограниченной длины, которые могут быть кручеными или слабокручеными.
Под «двухмерным тканьем» (или «2D-тканьем») здесь подразумевается обычная технология тканья, при которой каждая нить основы проходит от одной до другой стороны одного слоя утка.
Под «трехмерным тканьем» (или «3D-тканьем») здесь подразумевается технология тканья, при которой, по меньшей мере, некоторые нити основы переплетаются с нитями утка в нескольких слоях утка, таким образом связывая их вместе.
Под «интерлочным тканьем» здесь подразумевается переплетение трехмерного тканья, в котором каждый слой основы связывает (переплетает) несколько слоев утка, причем все нити одной колонки основы смещаются одинаково в плоскости переплетения. На Фиг.1 показана одна из 8 плоскостей интерлочного переплетения из семи слоев основы и восьми слоев утка. В показанном интерлочном переплетении один слой T утка образован двумя смежными полуслоями t утка, смещенными относительно друг друга по направлению основы. Таким образом, имеется шестнадцать полуслоев с шахматной схемой расположения нитей утка. Каждая основа связывает между собой три полуслоя утка. В дальнейшем термин «слой» используется для обозначения полного слоя нитей утка или полуслоя нитей утка, если специально не указано другое значение.
Может быть принята также другая схема расположения нитей в утке, без их смещения в шахматном порядке, то есть с расположением нитей в двух соседних слоях утка в одних и тех же колонках.
Под «многослойным тканьем» здесь подразумевается трехмерное тканье с множеством слоев утка, в котором базовое переплетение каждого слоя эквивалентно классическому двухмерному переплетению, такому как переплетение полотняного, атласного или саржевого типа, но с определенными точками переплетения, которые связывают слои утка между собой. На Фиг.2 показана плоскость многослойной ткани типа полотна или «многослойной полотняной ткани», в которой нити основы время от времени отклоняются от своего обычного хода двухмерного переплетения с нитью утка для захвата нити соседнего утка и формирования отдельных точек переплетения (связующих точек) РТ полотняного переплетения, связывающих друг с другом два соседних слоя. В каждой отдельной точке сплетения РТ нить основы проходит вокруг двух нитей утка, расположенных в одной колонке в двух соседних слоях утка.
На Фиг.3 показана плоскость многослойной ткани атласного переплетения или «многослойной атласной ткани», в которой каждая нить основы отклоняется поочередно в одном и в другом направлении, чтобы захватывать поочередно одну нить утка из числа n нитей первого слоя нитей утка и одну нить из числа n нитей второго слоя нитей утка, соседнего с первым, при этом число n является целым числом больше 2. За счет этого осуществляется связь между двумя слоями в связующих точках PS атласного переплетения. В показанном примере выполнения n=16.
В переплетении атласного типа термин «шаг» означает интервал между двумя точками атласного переплетения на одной нити основы, выраженный числом колонок утка. В примере выполнения по Фиг.3 этот шаг составляет поочередно 6 и 10, что создает средний шаг многослойного атласного переплетения, равный 8, то есть n/2.
В переплетениях по Фиг.2 и 3 нити утка расположены не по шахматной схеме, то есть нити двух соседних слоев утка расположены в одних и тех же колонках. Однако возможна также и шахматная схема расположения нитей утка, как на Фиг.1, при этом связь осуществляется между двумя соседними полуслоями утка.
Следует отметить, что связывание слоев утка с использованием одной и той же нити основы в многослойном полотняном или атласном переплетении не ограничивается двумя соседними слоями утка, а может проникать по глубине дальше, чем на два слоя утка.
Под «плотностью переплетения» здесь подразумевается число нитей на единицу длины в направлении как основы, так и утка. Таким образом, низкая (или редкая) плотность означает меньшее число нитей, то есть более редкую ткань в отличие от высокой (или частой) плотности.
Во всем последующем тексте и на чертежах, условно и для удобства, упоминаются и показаны только те нити основы, которые отклоняются от своих путей, захватывая нити утка одного или более слоев утка. Однако в рамках изобретения возможен обмен ролями между основой и утком, и следует понимать, что изобретение также охватывает и такой вариант.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Областью применения изобретения является изготовление толстых волокнистых структур, пригодных в качестве волокнистого армирования или каркасов для применения при изготовлении деталей из композитного материала.
Изготовление волокнистой структуры посредством трехмерного тканья позволяет получать связь между слоями, то есть в ходе одной текстильной операции обеспечивать хорошие механические характеристики получаемой волокнистой структуры и детали из композитного материала. В том случае, когда деталь получают путем уплотнения волокнистой структуры, по меньшей мере, частично способом химического осаждения из газовой фазы, а также для достижения по возможности равномерных механических свойств внутри детали выгодно создать условия для уплотнения по возможности с наиболее низким градиентом уплотнения между внутренней частью или сердцевиной волокнистой структуры и ее наружной частью или оболочкой, то есть частью волокнистой структуры, расположенной у наружной поверхности.
Для этой цели и для того, чтобы создать благоприятные условия для доступа реакционной газовой фазы в сердцевину каркаса в процессе химического осаждения из газовой фазы, тканье сердцевины выполняют из нитей, которые, по меньшей мере, в своем большинстве образованы волокнами ограниченной длины, что обеспечивает фракционирование пористости вспучиванием волокон. Возможно использование нитей, изготовленных из волокон ограниченной длины без крутки или с очень слабой круткой и временной нити оплетки, придающей нитям связность, при этом волокна ограниченной длины образуют большинство нитей даже в том случае, когда нить оплетки образована волокнами неограниченной длины. Можно также использовать нити, образованные кручеными волокнами ограниченной длины, или пряжу из волокон ограниченной длины.
Предпочтительно также создать условия для получения после уплотнения поверхности без неровностей, то есть хорошего состояния готового продукта, для того, чтобы избежать операций механической доработки или ограничить эти операции.
Для этого оболочку выполняют тканьем из нитей, образованных волокнами неограниченной длины, чтобы устранить вспучивание волокон ограниченной длины. Это относится к слою нитей утка, образующих наружную часть оболочки, а также, возможно, к одному или нескольким соседним слоям нитей утка. Предпочтительно это относится также к нитям основы, которые выходят на поверхность оболочки.
Согласно одному примеру осуществления изобретения сердцевина выполнена посредством трехмерного тканья интерлочного типа, а оболочка выполнена посредством тканья с переплетением полотняного, атласного или саржевого типа. Интерлочное тканье сердцевины благоприятствует доступу газовой фазы в процессе химического осаждения из газовой фазы, поскольку оно обеспечивает легкое сообщение между множеством слоев ткани. Тканье оболочки может содержать двухмерное тканье с переплетением полотняного, атласного или саржевого типа, при этом интерлочное тканье сердцевины доходит до оболочки, или тканье оболочки может содержать многослойное тканье с переплетением полотняного, атласного или саржевого типа.
Согласно другому примеру осуществления сердцевина и оболочка выполнены посредством многослойного тканья с различными переплетениями. Сердцевина может быть выполнена посредством многослойного тканья с переплетением атласного типа, а оболочка - посредством многослойного тканья с переплетением полотняного или саржевого типа.
Для той же цели облегчения доступа реакционной газовой фазы оболочка может быть выполнена с более низкой плотностью переплетения, чем сердцевина.
Кроме того, может быть желательно использовать для сердцевины и оболочки нити разной химической природы для придания особых свойств получаемой детали из композитного материала в отношении стойкости к окислению или к износу.
Таким образом, для изготовления детали из термоструктурного композитного материала с каркасом из жаропрочных волокон можно изготовить каркас из углеродных волокон в сердцевине и керамических волокон, например из карбида кремния (SiC), в оболочке с целью повышения износостойкости оболочки детали из композитного материала.
Далее будут описаны примеры выполнения волокнистой структуры согласно изобретению. Во всех примерах тканье выполнено на жаккардовом ткацком станке.
Пример 1
На Фиг.4A-4H частично представлены восемь последовательных плоскостей сечений переплетения волокнистой структуры, полученной трехмерным тканьем, причем нити утка видны в поперечном сечении.
Волокнистая структура 10 содержит 9 слоев нитей утка, то есть 18 полуслоев от t1 до t18. В сердцевине 12, расположенной между противоположными оболочками 14, 16, трехмерное тканье является интерлочным из нитей, образованных преимущественно из углеродных волокон ограниченной длины, удерживаемых нитью оплетки из временного материала, как это описано в патентном документе ЕР 0489637, с плотностью переплетения 10/10 на слой (десять нитей в сантиметре в утке и в основе). Нить оплетки изготовлена, например, из растворимого полимера, такого как поливиниловый спирт, или из полимера, удаляемого термообработкой без воздействия на углерод волокон, такого как полиэтилен или поливинилацетат. В оболочках 14, 16 тканье двухмерное с переплетением полотняного типа из нитей, образованных углеродными волокнами неограниченной длины, с плотностью переплетения 5/5 на слой. Связь посредством тканья полотняного переплетения относится только к полуслоям t1, t2 и полуслоям t17, t18 нитей утка. Следует отметить, что интерлочное трехмерное тканье сердцевины доходит до полуслоев t1 и t18 оболочек, чтобы связать эти полуслои с сердцевиной.
В данном примере нити, образованные волокнами неограниченной длины, представляют собой нити полуслоев t1, t2, t17, t18, а также нити основы полотняного переплетения на поверхности, то есть нити Ct1, Ct2 и нити Ct17, Ct18 основы на Фиг.4А и 4В. Нити основы интерлочного тканья, проходящие для захвата нитей полуслоев t1 и t18 и выходящие на поверхность оболочек, также могут быть образованы волокнами неограниченной длины (нити Ci1 и Ci8 на Фиг.4В и 4А).
В этом примере выполнения, кроме типа нитей, сердцевина и оболочка отличаются друг от друга также типом трехмерного тканья и плотностью переплетения. Интерлочное трехмерное тканье и использование нитей из волокон ограниченной длины в сердцевине благоприятно для снижения до минимума градиента уплотнения между оболочкой и сердцевиной при химическом осаждении из газовой фазы. Тканье с полотняным переплетением и использование нитей из волокон неограниченной длины в оболочке благоприятно для получения относительно гладкой поверхности, а полотняное переплетение и более низкая плотность в оболочке благоприятны для доступа реакционной газовой фазы через оболочку.
Пример 2
На Фиг.5А-5Н частично представлены последовательные плоскости сечения волокнистой структуры 20, полученные трехмерным тканьем. Эта структура отличается от структуры по Примеру 1 тем, что многослойное тканье выполнено в оболочках 24 и 26 с переплетением, аналогичным многослойному переплетению, на толщине двух полуслоев утка, а трехмерное тканье сердцевины 22 является интерлочным, причем каждая основа проходит на глубину трех полуслоев нитей утка, которые расположены по шахматной схеме.
Поскольку оболочки выполнены посредством многослойного тканья, нет необходимости в том, чтобы интерлочное тканье охватывало все слои утка оболочки. Может быть достаточным, чтобы один слой или полуслой утка, расположенный на границе между сердцевиной и оболочкой, был связан как с интерлочным тканьем, так и с многослойным тканьем, для получения связи всех слоев утка посредством трехмерного тканья. Тем не менее, в показанном примере осуществления интерлочное тканье охватывает все полуслои нитей утка.
Как и в Примере 1, тканье сердцевины выполнено из нитей, изготовленных из волокон ограниченной длины, удерживаемых временной нитью оплетки, а тканье оболочки выполнено из нитей, изготовленных из волокон неограниченной длины. Так, в примерах по Фиг.5А-5Н нитями из волокон неограниченной длины являются нити полуслоев t1, t2, t17 и t18 утка, а также нити основы многослойного и интерлочного тканья, которые захватывают нити полуслоев t1, t18 (нити Ct1, Ct8, Ci1 и Ci8 на Фиг.5В и 5С).
Пример 3
На Фиг.6А-6Н частично представлены последовательные плоскости утка волокнистой структуры 30, полученные многослойным трехмерным тканьем. Эта структура отличается от структуры по Примеру 1 тем, что одно и то же интерлочное трехмерное тканье выполнено в сердцевине 32 и в оболочках 34, 36.
В сердцевине 32 тканье выполнено из нитей, образованных волокнами ограниченной длины и объединенных временной нитью оплетки, а в оболочках 34, 36, то есть в одном или двух крайних полуслоях утка, тканье выполнено из нитей, образованных волокнами неограниченной длины. В показанном примере осуществления нитями из волокон неограниченной длины являются нити полуслоев t1, t2, t17, t18 утка, а также нити основы многослойного и интерлочного тканья, которые захватывают нити полуслоев t1, t18 (нити С1 и С7 на Фиг.6В и 6А).
В этом примере сердцевина и оболочка отличаются друг от друга только типом нитей.
Пример 4
На Фиг.7A-7L показаны последовательные плоскости переплетения структуры 40, полученные многослойным трехмерным тканьем и содержащие 12 слоев нитей утка от U1 до U12. В таблице ниже приведены сводные данные о переплетении и плотности переплетения используемого трехмерного тканья, при этом вариация в переплетении структуры 40 симметрична относительно средней плоскости между оболочками 44, 46, расположенными по обе стороны от сердцевины 42. Следует отметить, что нити утка расположены не в шахматном порядке, однако определенные слои утка имеют число нитей утка, отличное от числа нитей в других слоях утка (вариация плотности переплетения в утке).
Слои нитей утка
Переплетение многослойного тканья
Плотность переплетения
U1
Полотняное
6,6/6,6
U2
Сложное полотняное
6,6/6,6
U3
Сложное атласное, 5-нитное
8/8
U4
Сложное атласное, 5-нитное
8/8
U5
Сложное атласное, 6-нитное
10/10
U6
Сложное атласное, 6-нитное
10/10
U7
Сложное атласное, 6-нитное
10/10
U8
Сложное атласное, 6-нитное
10/10
U9
Сложное атласное, 5-нитное
8/8
U10
Сложное атласное, 5-нитное
8/8
U11
Сложное полотняное
6,6/6,6
U12
Полотняное
6,6/6,6
Как показано на чертежах, сложное атласное тканье выполнено путем захвата поочередно нити утка первого слоя и нити утка второго слоя, граничащего с первым.
В сердцевине 42 (соответствует слоям U3-U10 утка) нити, используемые в основе и в утке, образованы углеродными волокнами ограниченной длины, удерживаемыми временной нитью оплетки. В оболочках 44, 46 (слои U1, U2, U11, U12 утка) нити образованы углеродными волокнами неограниченной длины, то есть такими нитями являются нити слоев U1, U2, U11, U12 утка, а также нити основы в полотняном и сложном полотняном тканье оболочки.
Таким образом, в данном примере сердцевина 42 и оболочки 44, 46 отличаются друг от друга типом нити, переплетением трехмерного многослойного тканья и плотностью переплетения. Следует отметить, что вариация переплетения и плотности переплетения имеет определенный последовательный характер и содержит атласное 5-нитное переплетение для слоев U3, U4 и U9, U10 утка между атласным 6-нитным переплетением слоев U5-U8 и полотняным переплетением оболочек для того, чтобы избежать слишком резкого перехода между сердцевиной и оболочкой.
Сложное атласное переплетение сердцевины обеспечивает пониженную усадку и улучшенное механическое поведение параллельно слоям утка, особенно в направлении основы, по сравнению с интерлочным переплетением.
При уплотнении способом химического осаждения из газовой фазы полотняное переплетение оболочки обеспечивает более легкий проход газа через оболочку по сравнению с атласным переплетением.
В качестве варианта для тканья оболочек может использоваться саржевое переплетение.
Волокнистые конструкции (структуры), получаемые способом согласно изобретению, пригодны для изготовления деталей из композитного материала, получаемых уплотнением волокнистых структур способом химического осаждения из газовой фазы, в особенности деталей из термоструктурного композитного материала с волокнистым каркасом из углеродных волокон и углеродной или керамической матрицей.