RU203346U1

RU203346U1 - Reinforcing polymer-composite mesh

Info

Publication number: RU203346U1
Application number: RU2020134719U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скрипкин; Альберт Викторович Королев; Андрей Альбертович Королев
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Полезная модель относится к области композитных материалов, специального машиностроения, строительства и может быть использована для армирования композитных материалов и изделий из них, деталей специального машиностроения и др. Задачей полезной модели является повышение долговечности и прочности армирующей полимерно-композитной сетки, предназначенной для изделий из композитных материалов, находящихся под значительной знакопеременной нагрузкой. Поставленная задача достигается тем, что в известной армирующей полимерно-композитной преднапряженной сетке с нанодобавками, выполненной из нити по технологии преднапряженного переплетения с клеевой фиксацией каждого соединения, из стекловолокна с пропиткой из термореактивных смол с добавками в виде 0,1…1% углеродного нанопорошка, нить выполнена из трубок углеродного волокна, заполненных дилатантной неньтоновской жидкостью, переплетенных вокруг армирующей нити из аморфного металла, и перетянута карбоновой нитью с образованием сегментов. Техническим результатом является обеспечение переменной жесткости композиционного материала в процессе его деформации. 3 ил.The utility model relates to the field of composite materials, special engineering, construction and can be used to reinforce composite materials and products made from them, parts of special engineering, etc. materials under significant alternating load. The task is achieved by the fact that in the well-known reinforcing polymer-composite prestressed mesh with nanoadditives, made of a thread according to the technology of prestressed weaving with adhesive fixation of each joint, from fiberglass impregnated from thermosetting resins with additives in the form of 0.1 ... 1% carbon nanopowder, the thread is made of carbon fiber tubes filled with a dilatant non-Newtonian fluid, intertwined around a reinforcing thread made of amorphous metal, and tied with a carbon fiber thread to form segments. The technical result is to provide variable stiffness of the composite material in the process of its deformation. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области композитных материалов, а также специального машиностроения, строительства и может быть использована для армирования композитных материалов и изделий из них, деталей специального машиностроения, бетонных изделий, монолитных заливных конструкций и так далее.The utility model relates to the field of composite materials, as well as special mechanical engineering, construction and can be used to reinforce composite materials and products made from them, parts of special mechanical engineering, concrete products, monolithic cast structures, and so on.

Из уровня техники известны армирующие сетки из металла, полимерных и комбинированных материалов. Например, металлические арматурные сетки могут быть цельносварными, с фиксацией каждого поперечного соединения и со свободным скреплением, предполагающим свободный ход элементов арматуры при температурной и механической деформации железобетонных изделий, выполненных с их применением.Reinforcing meshes made of metal, polymeric and combined materials are known from the prior art. For example, metal reinforcing meshes can be all-welded, with fixation of each transverse connection and with free fastening, assuming free movement of reinforcement elements during thermal and mechanical deformation of reinforced concrete products made with their use.

Недостатками применения металлических арматурных сеток, известных из общего уровня применяемых технологий, является низкая коррозионная устойчивость, электропроводность, низкий срок службы, обусловленный естественными электрохимическими реакциями в металле, в значительной степени усиливающихся при воздействии влажных сред и атмосферного воздуха, а также существенное увеличение веса композитных материалов при таком армировании.The disadvantages of using metal reinforcing meshes, known from the general level of applied technologies, are low corrosion resistance, electrical conductivity, low service life due to natural electrochemical reactions in the metal, which are greatly enhanced by exposure to humid environments and atmospheric air, as well as a significant increase in the weight of composite materials. with such reinforcement.

При использовании в строительстве бетоны являются гигроскопичным материалом и не защищают материал армирующих сеток от окисления. Уменьшение прочности и разрушение адгезионного слоя в значительной мере влияют на прочность конструктивных элементов в целом, известные технические решения на базе полимерных материалов, и стекловолокна обладают недостаточными прочностными характеристики и низкой адгезионной способностью к бетонам и прочим материалам, применяемых в строительстве, обусловленной применяемыми материалами и формой поверхности изделий. Одним из самых существенных недостатков металлической арматуры является различный температурный коэффициент расширения металла и армируемых бетонов, что вызывает разрушение изделий при перепадах температур в процессе эксплуатации.When used in construction, concrete is a hygroscopic material and does not protect the material of the reinforcing mesh from oxidation. A decrease in the strength and destruction of the adhesive layer significantly affects the strength of structural elements in general, known technical solutions based on polymeric materials, and glass fibers have insufficient strength characteristics and low adhesion to concrete and other materials used in construction, due to the materials and shape used. surface of products. One of the most significant drawbacks of metal reinforcement is the different temperature coefficient of expansion of metal and reinforced concrete, which causes the destruction of products with temperature drops during operation.

Известны комбинированные решения, в которых используется металлическая сетка, покрытая пластиковым материалом или термореактивными смолами, обеспечивающим защиту металла от окисления (патент RU №119032 U1 от 03.02.2012 г.). В таких сетках используются сварные соединения в местах пересечения нитей, что является, наряду с высокой стоимостью изделия, их недостатком в связи с нарушением целостности и прочности как защитного, так и базового материалов в местах сварки. Процесс производства таких защищенных сеток сопряжен с дополнительными затратами.Known combined solutions in which a metal mesh is used, covered with a plastic material or thermosetting resins, which protects the metal from oxidation (patent RU No. 119032 U1 from 03.02.2012). In such meshes, welded joints are used at the intersection of the threads, which, along with the high cost of the product, is their disadvantage due to the violation of the integrity and strength of both the protective and base materials at the welding points. The manufacturing process for such protected nets is associated with additional costs.

Также в сооружениях, произведенных с применением металлической арматуры, наблюдается нарушения электромагнитной проницаемости, возможны значительные паразитные электромагнитные наводки, создающие помехи для работы компьютерного оборудования, средств связи, высокоточного и медицинского оборудования.Also, in structures made with the use of metal reinforcement, violations of electromagnetic permeability are observed, significant spurious electromagnetic interference is possible, which interferes with the operation of computer equipment, communication facilities, high-precision and medical equipment.

В последнее время, с развитием техники и разработкой новых материалов и технологий в качестве армирующих материалов все больше применяются сетки на основе лент и прутов из полимерных и композитных материалов. Основой таких изделий служит, например, стекловолокно, пропитанное полимерным материалом. Такие изделия отличаются высокой прочностью, низким коэффициентом линейного расширения, низкой себестоимостью процесса производства. Известные технические решения представляют собой плоские синтетические структуры в виде решетки, в которой пластиковые полосы, образующие сетку, скреплены узлами, переплетены, отлиты или спрессованы.Recently, with the development of technology and the development of new materials and technologies, meshes based on ribbons and rods made of polymer and composite materials are increasingly used as reinforcing materials. The basis of such products is, for example, fiberglass impregnated with a polymer material. Such products are distinguished by high strength, low coefficient of linear expansion, and low production cost. Known technical solutions are flat synthetic structures in the form of a lattice, in which plastic strips forming a mesh are knotted, intertwined, cast or pressed.

При явных преимуществах известных технических решений по отношению к металлическим и комбинированным моделям, они обладают недостатком, который заключается в низкой адгезионной способности поверхностного слоя полимерных материалов к строительным и другим субстанциям. Слабые электрохимические связи в поверхностных слоях материалов не позволяют создать монолитную структуру с равномерным распределением усилий. Сцепление армирующей сетки с кристаллизованными строительными субстанциями в большей степени обеспечивается за счет формы поверхности и ее профиля. При этом немаловажный аспект играет форма и объемная структура полимерной сетки. Для обеспечения прочности изделий с применением полимерной арматуры, сопоставимой с прочностью изделий с применением металлической арматуры, требуется применение полимерной арматуры, сопоставимой по объему с металлической, но большей площадью поверхности. В связи с необходимостью сохранения удельной прочности используемой полимерной арматуры, появляется необходимость в увеличении ее количества на единицу объема изделия, что, при явном улучшении эксплуатационных качеств, все же вызывает удорожание изделий.With obvious advantages of the known technical solutions in relation to metal and combined models, they have a disadvantage, which consists in the low adhesion of the surface layer of polymeric materials to construction and other substances. Weak electrochemical bonds in the surface layers of materials do not allow creating a monolithic structure with a uniform distribution of forces. The adhesion of the reinforcing mesh with crystallized building substances is largely ensured by the shape of the surface and its profile. In this case, an important aspect is played by the shape and volumetric structure of the polymer network. To ensure the strength of products using polymer reinforcement, comparable to the strength of products using metal reinforcement, the use of polymer reinforcement is required, comparable in volume to metal, but with a larger surface area. In connection with the need to preserve the specific strength of the polymer reinforcement used, it becomes necessary to increase its quantity per unit volume of the product, which, with a clear improvement in performance, still causes an increase in the cost of products.

Известна армирующая сетка, содержащая перекрещивающиеся пряди из синтетического материала (патент RU 2299217 С2, 20.05.2007 г). В данном патенте предусматривается использование для создания пространственной полимерной решетки перфорированных лент из базового материала - полиэтилена с внедрением дополнительных углеродных волокон - сверхвысокомодульной арамидной нити, в частности нити марки "Кевлар". Перфорирование и профилирование лент значительно повышает площадь поверхности и коэффициент объемного взаимодействия со строительными субстанциями, наличие углеродных нитей, имеющих высокие поверхностные адгезионные свойства в отношении к строительным смесям, в частности, бетонным основаниям, в совокупности повышает прочностные характеристики готовых изделий, но также увеличивает и себестоимость изделий.Known reinforcing mesh containing crossed strands of synthetic material (patent RU 2299217 C2, 20.05.2007 g). This patent provides for the use to create a spatial polymer lattice of perforated tapes from the base material - polyethylene with the introduction of additional carbon fibers - an ultra-high modulus aramid thread, in particular, a thread of the "Kevlar" brand. Punching and profiling of belts significantly increases the surface area and the coefficient of volumetric interaction with building substances, the presence of carbon fibers with high surface adhesion properties in relation to building mixtures, in particular, concrete bases, together increases the strength characteristics of finished products, but also increases the cost. products.

Известна сетка армирующая полимерно-композитная преднапряженная с нанодобавками, выполненная из нити по технологии преднапряженного переплетения с клеевой фиксацией каждого соединения, из стекловолокна с пропиткой из термореактивных смол с добавками в виде 0,1…1% углеродного нанопорошка, (патент RU 177233, 14.02.2018 г.), принятая за прототип. Под понятием "нить" подразумевается нить различного диаметра и др., полученная общеизвестными способами пултрузии, плейнтрузии или нидлтрузии из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон; нанодобавками в прототипе являются минеральные и/или полимерные материалы, например, органические и минеральные гидрофильные порошки, такие, как двуокись кремния (SiO₂), графитовые фуллерены, тонкодисперсный порошок оксида цинка (ZnO) и другие.Known mesh reinforcing polymer-composite prestressed with nanoadditives, made of a thread according to the technology of prestressed weave with adhesive fixation of each joint, from fiberglass impregnated from thermosetting resins with additives in the form of 0.1 ... 1% carbon nanopowder, (patent RU 177233, 14.02. 2018), taken as a prototype. Under the term "thread" is meant a thread of various diameters, etc., obtained by conventional methods of pultrusion, pleintrusion or needletrusion from glass, basalt, carbon or aramid fibers; nanoadditives in the prototype are mineral and / or polymeric materials, for example, organic and mineral hydrophilic powders such as silicon dioxide (SiO ₂ ), graphite fullerenes, fine zinc oxide powder (ZnO) and others.

Недостатком указанной армирующей сетки является постоянная жесткость, что снижает ее долговечность при значительных знакопеременных нагрузках. Например, одной из причин разрушения таких изделий, как лопасти несущего и управляющего винта вертолета, корпусные детали фюзеляжа, элементы крыла, элеронов, руля направления летательных аппаратов различных типов, колец ударопрочных подшипников и др., является постоянная жесткость материала и, как следствие, накапливающаяся усталость материала, приводящая к образованию трещин, разрывов и т.д. с последующим выходом изделия из строя.The disadvantage of this reinforcing mesh is constant rigidity, which reduces its durability under significant alternating loads. For example, one of the reasons for the destruction of such products as rotor and control rotor blades of a helicopter, body parts of the fuselage, elements of a wing, aileron, rudder of various types of aircraft, rings of shock-resistant bearings, etc., is the constant rigidity of the material and, as a result, accumulating material fatigue leading to cracks, breaks, etc. with the subsequent failure of the product.

Задачей полезной модели является повышение долговечности и прочности армирующей полимерно-композитной сетки, предназначенной для изделий из композитных материалов, находящихся под значительной знакопеременной нагрузкой.The task of the utility model is to increase the durability and strength of the reinforcing polymer-composite mesh intended for products made of composite materials under significant alternating loads.

Техническим результатом является обеспечение переменной жесткости композиционного материала в процессе его деформации.The technical result is to provide variable stiffness of the composite material during its deformation.

Поставленная задача достигается тем, что в известной армирующей полимерно-композитной преднапряженной сетке с нанодобавками, выполненной из нити по технологии преднапряженного переплетения с клеевой фиксацией каждого соединения с пропиткой из термореактивных смол с добавками в виде 0,1…1% углеродного нанопорошка, нити выполнены из трубок углеродного волокна, заполненных дилатантной неньютоновской жидкостью, переплетенных вокруг армирующей нити из аморфного металла, а трубки углеродного волокна разделены на отдельные сегменты, образованные при их перетягивании карбоновой нитью.The task is achieved by the fact that in the well-known reinforcing polymer-composite prestressed mesh with nanoadditives, made of a thread according to the technology of prestressed weave with adhesive fixation of each connection impregnated from thermosetting resins with additives in the form of 0.1 ... 1% carbon nanopowder, the threads are made of carbon fiber tubes filled with a dilatant non-Newtonian fluid, intertwined around a reinforcing thread of amorphous metal, and carbon fiber tubes are divided into separate segments formed by being pulled by the carbon thread.

Так как нити выполнены из трубок углеродного волокна, заполненных дилатантной неньютоновской жидкостью, переплетенных вокруг армирующей нити из аморфного металла, а трубки углеродного волокна разделены на отдельные сегменты, образованные при их перетягивании карбоновой нитью, то при деформации сетки в процессе эксплуатации изделий с переменной скоростью жесткость композиционного материала меняется, что обеспечивает повышение его усталостной прочности и, как следствие, долговечности изделий.Since the threads are made of carbon fiber tubes filled with a dilatant non-Newtonian liquid, intertwined around a reinforcing thread made of amorphous metal, and the carbon fiber tubes are divided into separate segments formed when they are pulled by a carbon thread, then when the mesh is deformed during the operation of products with a variable speed, the rigidity the composite material changes, which provides an increase in its fatigue strength and, as a consequence, the durability of products.

Предложенная полезная модель поясняется следующими рисунками.The proposed utility model is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 схематично показано сечение арматурной сетки, где схематично изображено:FIG. 1 schematically shows a cross-section of a reinforcing mesh, where it is schematically shown:

1 - трубки углеродных волокон, 2 - армирующая нить из аморфного металла, 3 - дилатантная неньютоновская жидкость;1 - tubes of carbon fibers, 2 - reinforcing thread made of amorphous metal, 3 - dilatant non-Newtonian liquid;

на фиг. 2 схематично показан вид нити армирующей сетки из углеродного волокна, заполненного дилатантной неньютоновской жидкостью, где схематично изображено:in fig. 2 is a schematic view of a carbon fiber reinforcing mesh filament filled with a dilatant non-Newtonian fluid, where it is schematically shown:

4 - сегменты отдельной нити армирующей сетки, 5 - карбоновая нить, образующая узлы перетягивания нити армирующей сетки;4 - segments of a separate thread of the reinforcing mesh, 5 - carbon thread forming the nodes of the reinforcing mesh thread pulling;

на фиг. 3 схематично показана структура переплетения армирующей сетки с фиксацией узлов, где схематично изображено:in fig. 3 schematically shows the structure of the interlacing of the reinforcing mesh with fixing the knots, where it is schematically shown:

6 - нить армирующей сетки, выполненная из трубок углеродного волокна, 7 - сечение нити армирующей сетки, 8 - клеевое скрепление продольных и поперечных укладок композитных нитей.6 - reinforcing mesh thread made of carbon fiber tubes, 7 - cross-section of reinforcing mesh thread, 8 - adhesive bonding of longitudinal and transverse laying of composite threads.

Сетка состоит из отдельных блоков (фиг.1), содержащих трубки 1, изготовленные из углеродных волокон, армирующей нити 2, изготовленной из аморфного металла, и дилатантной неньютоновской жидкости 3, заполняющей внутреннюю полость трубок 1. Трубки 1 в поперечном направлении перетянута карбоновой нитью 5 (фиг.2), тем самым трубки 1 разделяются на отдельные сегменты 4. Отдельные блоки 7 сетки в поперечном направлении соединены между собой трубками 6, выполненными из углеродного волокна, внутренняя полость которых заполнена дилатантной неньютоновской жидкостью, но не разделенными на отдельные сегменты. Внутреннее пространство между трубками 6 заполнено клеевым соединением 8.The grid consists of separate blocks (Fig. 1) containing tubes 1 made of carbon fibers, a reinforcing thread 2 made of amorphous metal, and a dilatant non-Newtonian liquid 3 filling the inner cavity of the tubes 1. Tubes 1 are tied in the transverse direction with a carbon thread 5 (Fig. 2), whereby the tubes 1 are divided into separate segments 4. The individual mesh blocks 7 are transversely interconnected by tubes 6 made of carbon fiber, the inner cavity of which is filled with a dilatant non-Newtonian fluid, but not divided into separate segments. The inner space between the tubes 6 is filled with an adhesive joint 8.

При изгибе указанного композиционного материала с различными скоростью и направлением изменяется жесткость материала, так как изменяется жесткость трубок 1 и 6, заполненных дилатантной неньютоновской жидкостью. Известно, что дилатантные жидкости (или по-другому) - дилатантные материалы - являются одним из видов неньютоновских жидкостей, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. При высокой скорости деформации, возникающей, например, при ударных нагрузках, они приобретают свойства твердого тела и превращаются в очень жесткий и прочный материал.When the specified composite material is bent at different speeds and directions, the rigidity of the material changes, since the rigidity of tubes 1 and 6, filled with a dilatant non-Newtonian fluid, changes. It is known that dilatant fluids (or in another way) - dilatant materials - are one of the types of non-Newtonian fluids, in which the viscosity increases with an increase in the shear strain rate. At a high deformation rate, which occurs, for example, under impact loads, they acquire the properties of a solid and turn into a very hard and durable material.

В качестве диланантной неньютоновской жидкости для заполнения трубок углеродного волокна может быть использован, например, материал d3O, разработанный в Великобритании и применяемый, в том числе, в защитной экипировке и в бронежилетах нового поколения. В диланантной неньютоновской жидкости d3O роль жидкой фазы играет вискоза - производное целлюлозы, жидкий полимер - раствор ксантогенета целлюлозы в разбавленном едком натре (NaOH), получаемый, в основном, из древесного сырья. Твердой фазой служат наночастицы полиборметилсилоксана - сложного боркремнийорганического полимера [сайт: www.d3O.com].As a dilanant non-Newtonian fluid for filling carbon fiber tubes, one can use, for example, the d3O material developed in Great Britain and used, among other things, in protective gear and in new generation body armor. In the dilanant non-Newtonian liquid d3O, the role of the liquid phase is played by viscose, a cellulose derivative, and the liquid polymer is a solution of cellulose xanthogenet in dilute sodium hydroxide (NaOH), obtained mainly from wood raw materials. The solid phase is polyboromethylsiloxane nanoparticles, a complex boron-organosilicon polymer [website: www.d3O.com].

Заполнение трубок углеродного волокна диланантной неньютоновской жидкостью может выполняться различными известными способами, например, по способу заполнения внутренней полости нанотрубок химическим веществом [патент RU №2511218, 2014 г.] и др.The filling of carbon fiber tubes with a dilanant non-Newtonian liquid can be performed by various known methods, for example, by the method of filling the inner cavity of nanotubes with a chemical substance [RU patent No. 2511218, 2014], etc.

Для повышения надежности и долговечности каждая отдельная трубка 1, заполненная дилатантной неньютоновской жидкостью, разделена на отдельные сегменты, величиной, например, 5…15 (мм), полученные при ее поперечном перетягивании карбоновой нитью, например, из углеродного нановолокна - CNFs. Для дальнейшего повышения прочности и надежности армирующей сетки дополнительно используется армирующая нить из аморфного металла / сплава, например, на основе Fe, Al, Ti и др. диаметром 20…50 (мкм), вокруг которой переплетены, например, 3…5 трубок 1, заполненных дилатантной неньютоновской жидкостью, образующие отдельные блоки [Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. - М.: Металлургия, 1986 г. - 176 с].To increase reliability and durability, each individual tube 1 filled with a dilatant non-Newtonian fluid is divided into separate segments, for example, 5 ... 15 (mm) in size, obtained when it is transversely pulled by a carbon thread, for example, from carbon nanofibers - CNFs. To further increase the strength and reliability of the reinforcing mesh, a reinforcing thread made of amorphous metal / alloy is additionally used, for example, based on Fe, Al, Ti, etc. with a diameter of 20 ... 50 (μm), around which, for example, 3 ... 5 tubes 1, filled with a dilatant non-Newtonian liquid, forming separate blocks [Zolotukhin I.V. Physical properties of amorphous metallic materials. - M .: Metallurgy, 1986 - 176 s].

Техническим результатом применения полезной модели является увеличении долговечности, высокое качество и прочностные характеристики изделий, а также увеличение сроков эксплуатации и улучшение эксплуатационных характеристик изделий из композитных материалов, находящихся под значительной знакопеременной нагрузкой.The technical result of using the utility model is to increase the durability, high quality and strength characteristics of products, as well as an increase in the service life and improvement of the performance characteristics of products made of composite materials under significant alternating loads.

Claims

Reinforcing polymer-composite prestressed mesh made of threads using the technology of prestressed weaving with adhesive fixation of each joint, impregnated with thermosetting resins with additives in the form of 0.1 ... 1% carbon nanopowder, characterized in that the thread is made of carbon fiber tubes filled dilatant non-Newtonian liquid, intertwined around a reinforcing thread made of amorphous metal, and tied with a carbon fiber thread to form segments.