КОМПОЗИЦИОННАЯ ПРОВОЛОКА
COMPOSITE WIRE

Изобретение относится к композиционным проволокам, которые могут быть использованы при производстве сеток и коробов, многопроволочных несущих тросов и канатов, и других изделий с повышенными прочностными свойствами при низком удельном весе.
В настоящее время широко используются конструкции биметаллических проволок, представляющих собой сочетание двух разнородных металлов с четкой границей раздела (соединения) между ними [например, патенты РФ №№2214311, 2628232]. Вне зависимости от способа производства главным недостатком биметаллической проволоки является наличие границы или переходной зоны между сердечником и оболочкой, а, следовательно, градиента прочностных свойств, что приводит к ее расслоению и возникновению в ней очагов разрушения. Другим существенным недостатком биметаллической проволоки является ее высокий удельный вес.
Известна композиционная проволока [патент РФ №2387035], содержащая упрочняющий сердечник, покрытый слоем металлического проводникового материала высокой проводимости. Сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанокластерами фуллероидного типа, концентрация которых равна 0,001-2,0 мас. %. В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например, эпоксидная, или термостойкая термопластичная смола с температурой плавления выше 150°С, а в качестве углеродных нанокластеров - фуллерены и/или нанотрубки, и/или астралены.
Недостатками данной проволоки являются: невозможность ее использования при высоких температурах, невысокий рабочий ресурс проволоки в условиях действия изгибающих и растягивающих статических и динамических нагрузок. Это связано с тем, что модифицированная матрица, принимающая на себя все действующие нагрузки, имеет недостаточные прочностные свойства для обеспечения целостности, сердечника при длительно действующих растягивающих нагрузках на весь срок эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционная проволока с упрочняющим сердечником, покрытым слоем металлического проводникового материала высокой проводимости, в которой сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных, а на поверхности сердечника выполнено шлихтующее покрытие. В. качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами [Патент РФ №86345, Н01В 5/10, 2009].
Недостатком данной проволоки, несмотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, является невысокая в целом ее эксплуатационная прочность. Волокна в проволоке связаны между собой лишь механически с помощью скрутки, а шлихтующее покрытие, нанесенное на поверхность сердечника, играет роль только защитного покрытия. Такая конструкция сердечника при эксплуатации не обеспечивает равномерного распределения статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, что может привести к разрыву отдельных волокон и, как следствие, к снижению прочностных свойств сердечника проволоки в целом.
Задачей заявляемого изобретения является создание композиционной проволоки с повышенными прочностными характеристиками, с низким удельным весом, и обладающей повышенной эксплуатационной надежностью.
Указанный технический результат достигается тем, что в композиционной проволоке, содержащей стальную оболочку и упрочняющий сердечник, включающий высокопрочные волокна, согласно изобретению, сердечник выполнен из композиционного материала (скрученного или без скрутки) на основе терморасширенного графита (ТРГ), непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, при этом объемная доля армирующих волокон в композиционном материале на основе терморасширенного графита составляет 20-90%.
Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, предлагаемый для использования в виде сердечника в данной композиционной проволоке, практически не имеет ограничений по изгибающим нагрузкам и позволяет выдерживать проволоке в целом, механические нагрузки на сжатие и разрыв более высокие, чем обычная стальная проволока соответствующего диаметра. Кроме того, такой композиционный материал, находясь в сжатом состоянии, обладает большой силой упругого последействия, которая обеспечивает связь сердечника с оболочкой из стали во всем интервале температур и нагрузок при эксплуатации.
Объемная доля армирующих углеродных и/или базальтовых волокон и/или стекловолокон в композиционном материале на основе ТРГ варьируется в пределах 20-90% в зависимости от требований к механическим свойствам проволоки и номинального сечения стальной оболочки. Рабочая температура предлагаемого композиционного материала находится в пределах от -150°С до 500°С и обеспечивает температуру эксплуатации проволоки в целом в требуемых технической документацией рабочих диапазонах температур.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена заявляемая композиционная проволока с упрочняющим композиционным сердечником, поперечное сечение.
Композиционная проволока 1 содержит стальную оболочку 2 с упрочняющим сердечником 3, выполненным из композиционного материала на основе ТРГ 4, непрерывно армированного волокнами 5. В качестве волокон 5 могут быть использованы высокопрочные углеродные, базальтовые волокна или стекловолокно, как по отдельности, так и совместно. Для формирования сердечника 3 может быть применен как скрученный, так и нескрученный композиционный материала на основе ТРГ непрерывно армированный волокнами.
Для изготовления композиционного материала сердечника, предварительно подготовленный ТРГ пух армируют волокнами в выбранном в соответствии с техническими и эксплуатационными требованиями соотношении с последующей прокаткой между вальцами и получением ленты заданной длины и толщины. Из ленты формируют сердечник 3 необходимого диаметра с применением скрутки или без нее. Подготовленный сердечник оборачивают стальной лентой на формообразующем оборудовании с последующей сваркой кромок, зачисткой шва и пластической деформацией волочением.
Полученная проволока, представляющая из себя систему из оболочки, выполненной из стали и сердечника из композиционного материала на основе ТРГ, непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках, повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению не только с прототипом, но и с традиционными стальными проволоками. При этом вес проволоки с сердечником из такого композиционного материала благодаря использованию легковесного ТРГ значительно ниже, чем у других известных и ранее используемых аналогов.
Для формирования оболочки могут быть использованы различные виды стали в зависимости от предназначения проволоки.
Использование оболочки из нержавеющей стали или углеродистой стали с антикоррозионным покрытием обеспечит заявляемой проволоке антикоррозионные свойства не ниже чем стальные нержавеющие проволоки и стальные проволоки с антикоррозионным покрытием.
Таким образом, заявляемая проволока обеспечивает увеличение разрывных усилий, и в процессе эксплуатации может работать в коррозионных средах, в условиях перепада температур и высоких механических нагрузок.
Изобретение обеспечивает создание проволок, со следующими повышенными эксплуатационными свойствами:
- высокая механическая прочность;
- низкий удельный вес;
- устойчивость к высоким и низким температурам;
- малые температурные удлинения;
- устойчивость к старению и коррозионным воздействиям.
Заявляемая проволока позволяет заменить традиционные проволоки в конструкциях сеток и коробов, многопроволочных несущих тросов и канатов, и других изделий, обеспечив им повышенные антикоррозионные, прочностные свойства при низком удельном весе. Многопроволочные тросы и канаты, изготовленные из предлагаемой проволоки, будут обладать повышенными механическими характеристиками и устойчивостью к провисанию. При этом стоимость такой проволоки сопоставима со стоимостью отечественных стальных проволок.