ГИБКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СТЕНКИ ЕМКОСТИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 1999 года по МПК D04B9/06 D03D3/00 B32B7/00 

Изобретение относится к области гибких материалов, в частности, к области гибких композитных материалов. Материал имеет прямое применение в надуваемых конструкциях, таких как газовая камера для дирижаблей.

В крупномасштабных нежестких дирижаблях, материал, используемый для газовой камеры, должен отвечать большому количеству конструкционных требований, таких как высокая прочность, обеспечивать сопротивление надрыву, выступать в качестве газового барьера, не подвергаться деструкции за счет действия окружающей среды, включая ультрафиолетовое излучение, благодаря выдерживанию на солнечном свету. Таким образом, такой материал изгибается являясь многослойным ламинатом, объединяющим материалы с различными свойствами. Первичные осевые нагрузки на любую часть стенки газовой камеры возникают под углом 0^o к продольной оси газовой камеры и под углом 90^o к ней (периферически). Таким образом, большинство ламинатов включает плетеный волокнистый материал с волокнистым материалом ориентированным под углами 0^o и 90^o. Дополнительно, для выдерживания нагрузок при сдвиге, волокнистый материал включают иногда с ориентациями под углом плюс или минус 45^o к этим несущим осевым нагрузкам.

В известных ранее конструкциях, где уровни напряжений были низкими, часто использовали несколько слоев плетеной хлопчатобумажной ткани пропитанной каучуком для обеспечения газового затвора. Позже были использованы искусственные волокна, такие как RAYONT^TM или DACRON^AM, производимые E.I. duPont de Nemours and Company (на которую далее ссылаются как на" DuPont"). Слои хлопковой ткани располагали под углами 0^o и 90^o (осевые или прочностные слои) для растягивающих нагрузок и под углом плюс и минус 45^o (биосные слои) для сдвиговых нагрузок. Однако, этот подход не всегда приводил к оптимальной прочности конструкции, например, прочности, которая требовалась для выдерживания нагрузки при сдвиге обычно гораздо меньше, чем прочность биосных слоев. Использование тех же материалов для обеих осевых растягивающих нагрузок, а также и биосевых нагрузок (сдвига) часто приводило к тяжелым последствиям.

В некоторых современных конструкциях используется плетеное полиэфирное волокно, например, DACRON^TM под углами 0^o и 90^o к осевой нагрузке несущего материала. Пленка материала, которая является непроницаемой для гелия, например, из полиэфиртерефталата, которая служит в качестве газового барьера, подвергается также некоторому действию напряжений сдвига. Обычный полиэфиртерефталат продается DuPont под торговой маркой MYLART^TM. Плетеное полиэфирное волокно, например, DACRON^TM имеет очень большую величину деформации к разрушению, около 20 процентов. Однако, в больших, не жестких дирижаблях, требования прочности использование очень высокопрочных материалов, например, жидкокристаллического термотропного (спряденного из расплава) полиэфирполиарилатного волокна, например, VECTRAN^TM, производимого Hoechat Celanese, Germany, для выдерживания осевых нагрузок. Другой высокопрочный материал представляет лиотропное (спряденное из растворителя) ароматическое полиарамидное волокно, такое как KEVLAR^TM, которое производится DuPont. Однако, оба волокна VECTRAN^TM KEVLAR^TM обладают очень малой величиной предела прочности на разрушение, порядка 4 процентов. Если биосные слои изготовлены из одного и того же материала, биосевая нагрузка под углами 0^o и 90^o к волокну будет передавать значительную нагрузку под углом 45^o к биосным слоям. Использование этих слоев для работы в таких жестких условиях, как для слоев под углами 0^o и 90^o, приводит к потенциальной форме разрушения или ослабления системы. Фактически наличие биосного слоя с более высоким растяжением, чем у слоя под углами 0^o и 90^o (прочностные волокна), исключает преждевременное разрушение в биосном слое при предельной нагрузке в напряженных волокнах.

В некоторых ранее известных подходах отмечается отказ от использования такой концепции, например, German патент N DE 3702936 "Волокнистый композитный материал с высокой прочностью и высоким модулем волокна в различных ориентация" S. Roth et al.. Roth, et al. рекомендуют использование волокон под углами 0^o и 90^o с высокой прочностью и растяжением вместе с волокнами под углом 45^o, которые имеют высокие модули эластичности для использования в жестких композитных структурах. Таким образом, величина деформации разрушения волокон под углом плюс или минус 45^o является меньше, чем у волокон под углами 0^o и 90^o.

В патенте США N 4770918 "Диаграмма для получения зонда" A.Hayashi раскрыта гибкая диаграмма для получения зонда, имеющая, по крайней мере, один слой первой плетеной ткани, обладающей низким растяжением, и, по крайней мере, два слоя второй плетеной ткани, обладающей высоким растяжением. Первые и вторые ткани располагают таким образом, что их основы пересекают друг друга под углами между 10 и 80^o, тем самым растяжение диаграммы в направлении основ в направлении первой ткани обычно равно растяжению диаграммы в направлении, расположенном под углом 45^o относительно направления основ первой ткани. Это способствует легкости поворота диаграммы. Конечно, это изобретение будет давать неэффективную конструкцию, находящуюся под давлением.

Другие патенты, представляющие общий интерес, где материалы с различными свойствами объединяют в индивидуальную гибкую конструкцию, являются патентами США N 5189280 "Трехмерная волокнистая конструкция, обладающая улучшенной устойчивостью к проникновению" G.A.Harpel, et al., 4871589 "Контейнеры с гибкими стенками" E.Potente E.t.al., и 5215795 "Поглощающая удар воздушная камера" М. Matsumoto et al.

Кроме того, из уровня техники в данной области известен материал для стенки емкости (аэростата), находящейся под давлением, включающий гибкий слой, содержащий ткань из пряжи волокнистого материала, сотканного с образованием переплетения под углом 90^o. Материал имеет газонепроницаемую пленку и слой, содержащий наполнитель, обеспечивающий устойчивость материала к ультрафиолетовому излучению ( US, А5118558, кл. В 32 В 7/00, 1992).

Целью изобретения является создание волокнистого материала для изготовления гибких контейнеров, находящихся под давлением, у которых слои, несущие двуосную нагрузку сдвига, имеют большую деформацию при разрушении, чем слои, несущие осевую нагрузку при растяжении, которые не деструктурируют за счет ультрафиолетового излучения, которые способны удерживать гелиевый газ и которые легко состыковываются друг с другом.

Этот технический результат достигается за счет того, что материал для стенки емкости, находящейся под давлением, содержащий первую гибкую ткань, включающую пряжу волокнистого материала, образующую переплетение под углом 90^o, содержит вторую гибкую ткань, включающую пряжу волокнистого материала под углом плюс и минус 45^o и имеющую величину деформации при разрушении больше, чем величина деформации волокнистого материала под углами 0^o и 90^o первой ткани, при этом указанные первая и вторая ткани накладываются сверху и полностью связываются вместе с помощью матрицы смолы.

Является целесообразным, чтобы материал содержал пленку газонепроницаемого материала, связанную с одной из противоположных внешних боковых поверхностей первой гибкой ткани, с которой связывают вторую гибкую ткань.

Кроме того, материал может иметь ткань материала, устойчивого к ультрафиолетовому излучению, прикрепленную поверх указанной пленки, при этом первую и вторую ткань связывают вместе, предпочтительно прошивают вместе.

Новые свойства, являющиеся характерными для изобретения, как с организационной точки зрения, так и с точки зрения работы, вместе с дальнейшими целями и их преимуществами будут лучше понятны из следующего описания вместе с сопровождающими чертежами, в которых предпочтительные примеры выполнения показаны на чертежах. Особо понятно, однако, что чертежи представлены только с целью иллюстрации и описания и не предназначены для ограничения изобретения.

На Фиг. 1 показан перспективный вид дирижабля;
на фиг. 2 - перспективный вид части стенки газовой камеры, изготовленной из гибкого текстильного ламината, иллюстрируя главную ось ориентации волокнистого материала;
на фиг. 3 - частичный перспективный вид части текстильного ламината, где первый и второй слои являются плетеными материалами;
на фиг. 4 - частичный вид сбоку второго варианта текстильного ламината, в котором волокнистый материал, изготавливаемый из первого и второго слоев представляет однонаправленные слои, которые являются состыкованными вместе;
на фиг. 5 - вид третьего варианта перпендикулярной плоскости текстильного ламината, где кроме того, волокнистый материал составляет оба первый и второй слои, которые являются однонаправленными слоями, которые являются связанными вместе;
на фиг. 6 - вид сбоку третьего варианта текстильного ламината, представленного на фиг.5.

на фиг. 7 - графически показана прочность герметизации волокна под углами 0^o и 90^o в виде функции отношения скорости деформации при разрушении волокна под углами 0^o и 90^o с волокном под углом плюс или минус 45^o.

Показанный на фиг. 1 перспективный вид дирижабля, в целом обозначен позицией 10. Транспорт 10 включает газовую камеру 12, имеющую продольную ось 13A, поперечную ось 13B и вертикальную ось 13C. Гандолу 14 подвешивают на газовой камере, в которой располагают множество движущихся систем 16 смонтированных на ней. Когда увеличивается размер транспорта, создаются большие уровни напряжений в газовой камере 12. Кроме того, газовая камера 12 должна быть: непроницаемой для гелиевого газа; не должна подвергаться действию окружающей среды (включая ультрафиолетовое излучение); должна быть способной состыковываться; и допускать повреждения. Идя навстречу всем этим требованиям необходима ламинированная многослойная гибкая ткань, изготовленная из различных материалов, имеющих специфические механические свойства.

На фиг. 2 показана часть гибкой стенки 20, имеющей внутреннюю поверхность 22 и внешнюю поверхность 24, содержащей множество слоев волокнистого материала. Главные осевые нагрузки подводятся вдоль оси под углом 0 , совпадающей с продольной осью 13А и имеющей позицию 26, и под углом 90 к ней и обозначенной позицией 28. Таким образом, волокнистый материал " несущий главную нагрузку, выравнивают с этими осями. Сдвиговые нагрузки, испытываемые волокнистым материалом выравнивают с направлениями под углом плюс и минус 45^o указанными номерами 30 и 32. Угол в 45^o может быть доведен на основании детальных требований конкретного применения.

Как показано на фиг. 3, гибкую стенку 20 изготавливают из (начиная "от внутренней поверхности 22) первого слоя смолы 40, которую связывают с первым слоем 42 плетеной пряжи с индивидуальными пучками под углами 0 и 90^o. Слой смолы 40 и последующие слои смолы являются предпочтительно полиуретановыми. Первый слой 42 изготавливают из высокопрочной пряжи, такой как жидкокристаллическое термотропное (спряденное из расплава) полиэфирполиарилатное волокно (VECTRAN^TM). Пригодным также является лиотропное (спряденное из растворителя) ароматическое полиарамидное волокно (KEVLAR^TM). Второй слой смолы 44 отделяет первый слой 42 от второго слоя 46 плетеного волокнистого материала с индивидуальными прядями под углом плюс или минут 45^o. Третий слой смолы отделяет второй слой 46 от пленки материала, которая является, по существу непроницаемой для гелиевого газа, такой как полиэфиртерефталат (MYLAR^TM). Наконец, четвертый слой смолы используют для связывания внешнего слоя материала, который обладает устойчивостью к деструкции за счет ультрафиолетового излучения и обеспечивает также защиту от ветровой эрозии и ей подобных явлений. Такой материал представляет поливинилфторидное волокно, которое продают под торговой маркой TEDLAR^TM DuPont. Как проиллюстрировано на рисунке 3, материал иллюстрируют в его "приподнятой форме". Альтернативой MYLAR^TM или TEDLAR^TM должно быть увеличение содержания смолы в ламинате с тем, чтобы импрегнировать волокна, создавая газонепроницаемый слой.

Критическим фактором в выборе материалов для стенки газовой камеры 20, кроме того что они являются химически совместимыми, является то, что деформация (см на см) при разрушении второго слоя волокнистого материала является выше, чем деформация при разрушении для первого слоя. Это будет обеспечивать то, что деформации, введенные осевыми нагрузками под углами 0 и 90^o в слой 42, не создают разрушений, когда передаются в слой 46. Кроме того, наличие материала с высокой скоростью деформации для второго слоя 46 является очень желательным в том смысле, что он снижает вероятность сосредоточений локального напряжения.

На фиг. 4 показан второй вариант рассматриваемого материала, обозначенного в целом позицией 60. Начиная снизу, материал включает первый слой смолы 61; первый слой 62, имеющий слой 64 однонаправленного волокнистого материала под углом 0^o и слой 66 под углом 90^o; второй слой 70, имеющий слой 72 однонаправленного волокнистого материала под углом плюс 45^o и второй слой 74 под углом минус 45^o. Четыре слоя 62, 64, 72 и 74 прошивают вместе стежками, обозначенными позицией 78. Барьерный слой материала для гелиевого газа, например, MYLAR^TM слой 79 прикрепляют сверху слоем смолы 76 и конечный слой 80 материала такого как TEDLAR^TM устойчивого к ультрафиолетовому излучению прикрепляют с помощью слоя смолы 82. Как и в первом варианте, показанном на фиг. 3, когда индивидуальные слои связывают вместе, первый и второй слои 62 и 70 соответственно, становятся инкапсулированными в гибкой матрице смолы. Необходимо отметить, что плетеный или вытканый первый и второй слои материала 42 и 46 соответственно показанные на фиг. 3 могут быть также состыкованы вместе.

На фиг. 5 и 6 показан третий вариант, обозначенный позицией 90, где первый и второй слои 62 и 70, показанные на фиг. 4, связывают вместе как указано позицией 92. Остаток материала 90 подобен материалу согласно фиг. 4. Вновь, необходимо отметить, что плетеный или вытканый первый и второй слои материала 42 и 46, соответственно показанные на фиг. 3 могут быть также связаны вместе для улучшения прочности.

Как упомянуто ранее, критическим для изобретения является то, что величина деформации при разрушении для волокнистого материала во втором слое плюс или минус 45^o должна быть больше, чем в волокнистом материале под углами 0 и 90^o для первого слоя. На фиг. 7 проиллюстрирована важность этой характеристики. Прочность материала под действием обеих моноосевых и биосевых нагрузок показывают серией различных величин деформации для биаксиального материала. Деформацию при разрушении биаксиального материала делят на деформацию при разрушении материала под углами 0 и 90^o с получением отношения деформации. Если отношение является меньше 1, то биосный слой под углом плюс или минус 45^o будет разрушаться первым, если отношение больше 1, слой под углами 0 и 90^o будет разрушаться первым. Тяжелое последствие для низких отношений является очевидным.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылками на конкретные варианты, должно быть понятно, что варианты служат в большей степени для иллюстрации большого количества вариантов и модификаций, которые могут быть осуществлены специалистом в этой области. Таким образом, изобретение ограничивается только сутью и объемом прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение находит применимость в промышленности композитных материалов и авиационной промышленности.

Изобретение представляет материал пригодный для использования в качестве стенки контейнера, находящегося под давлением, такого, как газовая камера дирижабля. Изобретение включает первый гибкий слой, содержащий ткань, включающую пряжу волокнистого материала, образующую переплетение под углом 90^o друг к другу. Включает вторую гибкую ткань, содержащую пряжу волокнистого материала под углом плюс и минус 45^o. Величина деформации при разрушении для волокнистого материала второго слоя является большей, чем для волокнистого материала под углами 0^o и 90^o первого слоя. Первый и второй слои связывают вместе с помощью смолы. Материал содержит пленку газонепроницаемого материала и материала, устойчивого к ультрафиолетовому излучению, который прикрепляют к первым двум слоям. Изобретение позволяет создать материал, имеющий большую деформацию при растяжении, стойкий под действием ультрафиолетового излучения и удерживающий гелиевый газ. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Материал для стенки емкости, находящейся под давлением, содержащий первую гибкую ткань, включающую пряжу волокнистого материала, образующую переплетение под углом 90^o, отличающийся тем, что содержит вторую гибкую ткань, включающую пряжу волокнистого материала под углом плюс и минус 45^o и имеющую величину деформации при разрушении больше, чем величина деформации волокнистого материала под углами 0^o и 90^o первой ткани, при этом указанные первая и вторая ткани накладываются сверху и полностью связываются вместе с помощью матрицы смолы. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что содержит пленку газонепроницаемого материала, связанную с одной из противоположных внешних боковых поверхностей первой гибкой ткани, с которой связывают вторую гибкую ткань. 3. Материал по п. 2, отличающийся тем, что имеет ткань материала, устойчивого к ультрафиолетовому излучению, прикрепленную поверх указанной пленки. 4. Материал по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что указанные первую и вторую ткани связывают вместе. 5. Материал по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что указанные первую и вторую ткани прошивают вместе.