2. Материалы применяемые в изготовлении спортивного оружия

В основе классического лука всегда лежат деревянные плечи. Дерево – уникальный материал, сочетающий в себе легкость, упругость и способность многократно выдерживать нагрузки.

Д ля луков подходит разная древесина – ясень, вяз, дуб, клен, тополь, тутовое дерево, гикори (североамериканский орешник), кедр, можжевельник, сосна, тис (из него делались английские длинные луки) и оранжевая маклюра, которую часто называют индийским или китайским апельсином.

Сегодня можно купить любое дерево – все эти сорта используются в производстве мебели. Но в большинстве случаев стрелять «мебельная» древесина не сможет. Дерево, способное совершать работу, требует особого подхода к выбору, срезу, сушке, хранению и обработке. Лук делается из продольного выреза дерева, в нем чередуются слои ранней и поздней древесины. Заготовку лучше делать из максимально толстого дерева – тогда узкие сектора годовых колец окажутся практически прямыми и в луке поместится больше широких слоев драгоценной поздней древесины. Важно знать что, сучковатая маклюра содержит гораздо больший энергетический потенциал, чем идеально ровная.

Технические характеристики лука:

- сила натяжения, кГс – до 16;

- начальная скорость, м/c – 45-55;

- длина растяжения, см – 65;

- дальность, м – до 80;

- масса, кг – 1,4 – 2,5;

- цена, рублей – от 8 000.

Сила лука – это усилие, необходимое для полного натяжения или усилие необходимое для срабатывания блоков (эксцентриков) у блочных луков. Измеряется в кГс.

Сила удержания тетивы – это сила необходимая для удержания тетивы в полном натяжении. У классических луков она равна силе лука.

Металлические лук – плечи и рукоятка изготовлены из одного материала или разного (сталь, сплав из легких металлов, алюминий, титан, дюралюминий). Наиболее распространенным материалом для изготовления арбалетного лука была сталь, классический лук имел небольшой вертикальный прогиб в верхней части, чтобы уменьшить трение тетивы о ложе, возникающее из-за периферийного крепления лука[2].

Т ехнические характеристики лука:

- сила натяжения, кГс – от 23 ;

- начальная скорость, м/c – от 85;

- длина растяжения, см – от 60–80;

- дальность, м – от 150;

- масса, кг –1,6;

- цена, тыс – от 16000.

2.1 Композиционные материалы для изготовления спортивного лука

Также плечо спортивного лука может быть изготовлено из км, в таком случае лук приобретает особую прочность и может храниться с установленной тетивой долгое время(с деревянных плечей тетиву снимают после стрельбы).

 Главное достоинство композитного лука по сравнению с простым (то есть сделанным из цельного куска древесины) заключается в том, что при меньшем размере такой лук намного мощнее. Кроме того, композитные луки намного удобнее, если приходится стрелять с лошади и, возможно, с повозки. Изготовление композитного лука требует намного больше времени и сил, а также большего количества материалов. В условиях повышенной влажности традиционно используемый животный клей теряет свою стойкость и клеящиеся качества.

Технические характеристики лука:

- сила натяжения, кГс – от 26;

- начальная скорость, м/c – 200;

- длина растяжения, см – от 68;

- дальность, м – до 500;

- масса, кг – от 1;

- цена, тыс – от 20000.

В своей работе я предлагаю заменить традиционный материал плеча спортивного лука на гибридный материал углерод-дерево, предоставленный на рисунке 3.

Гибридными называют материалы, в которых используются слои из двух и более типов волокон, повышающие те или иные свойства материала.

Рисунок 3 – Лука на гибридный материал углерод-дерево [1]

Так, включение в углепластик дерева повышает жесткость материала. Делается это и с целью пони­жения цены и для увеличения жесткости формируемой структуры. Обычно стараются использовать чисто углеволокнистые материалы. Од­нако для расширения областей применения вводят другие материалы и тем самым снижают цену.

1. Усредненный– волокна смешиваются по всей массе композита. Отсутствуют участки макроконцентраций какого-либо волокна.

2. Внутрислоевой– волокна в каждом слое КВМ регулярно чередуются. К этому типу могут быть отнесены и армирующие гибридные ткани. Слои могут «размываться» между собой.

3. Межслоевой – каждый слой композита состоит из одного вида волокна (например, углепластиковая труба с наружными слоями стекловолокна).

4. Отдельные усилительные элементы (связки, ребра жест­кости).

5. Так называемые супергибриды, т. е. слои композитов с ор­ганической матрицей и с металлической матрицей и листы метал­лической фольги, уложенные в определенной последовательности[4].

Н аиболее часто встречаются внутри- и межслоевые типы гиб­ридных материалов. УВ-гибридные КВМ производят по обычной технологии, комбинируя углеволокнистые структуры с борными, стекловолоконными, арамидными или металлическими сложными структурами.

При получении внутри- и межслоевого гибридного материала используются те же виды связующего, что и в обычных процессах получения углепластиков.

Существуют три основные причины, приводящие к необходи­мости гибридизировать углепластики:

1) включение других волокон, превосходящих УВ по каким-то параметрам, помогает ликвидировать недостатки, свойственные углепластикам;

2) включение углеродных волокон в композиты из других материалов для использования преимуществ УВ;

3) снижение цены полученного материала.

Первая категория материалов включает КВМ, к которым предъявляются большие требования к ударопрочности. Повышение ударной вязкости достигается обычно методом включения других высокопрочных волокон, обладающих большей работой разруше­ния, нежели УВ. Альтернативой является гибридизация с высоко­прочными волокнами с высокими адгезионными свойствами.

Большое влияние гибридизация оказывает на модуль упругости при сжатии – этот параметр почти удваивается при введении всего 5 % УВ в КВМ с массовой долей стекловолокна 50 %. Гибридизация углепласти­ков борными волокнами исполь­зуется при создании ответственных конструкций, подвергаю­щихся сжатию (горизонтальные стабилизаторы в самоле­тах, переборки крыльев, обтекатели и т. п.). При создании гибридного КВМ с соотношением УВ и борного волокна 50 : 50, сохраняется около 90 % модуля уп­ругости и прочности при сжатии относительно чистого боро-пластика[1].

1. Деревянная пластина

Для изготовления луков в наших широтах хорошо подходят: дуб, ясень, клен, береза, лещина (орешник), бук, вяз. Какие-то из этих сортов менее доступны, какие-то более. Все они отличаются весьма плотной древесиной, при этом достаточно эластичной.

Таблица 2 – Технические характеристики различных пород древесины [2]

Для своего композитного изделия я выбрала древесину дуба. Древесина дуба отличается прочностью, крепостью, плотностью и твёрдостью.

2.1.2 Углеродный слой

Первоначально, углеродный слой стали добавлять в ламинированные плечи для увеличения поперечной устойчивости. Многие луки имеют дефект "винт плеча". Это не лечится выгибанием или клиньями под плечи в разборном луке, хотя клиньями можно добиться, чтобы лук все-таки стрелял.

Плечо имеет тенденцию гнуться не только поперек, но и вдоль. Поэтому карбоновый слой состоит из диагонально пересекающихся волокон карбона. Карбоновые волокна - это очень жесткий материал, практически не поддающийся сжатию и растяжению, поэтому плечо вдоль этих волокон приобретает дополнительную жесткость и меньше поддается сворачиванию винтом. Если расположить волокна вдоль, то плечи станут очень жесткими, даже при диагональном расположении, плечи становятся тоньше при той же силе.

Карбон – это материал, который состоит из нитей углерода переплетенных между собой. Закрепляются они эпоксидной смолой. Такой материал довольно прочный, так на 90% это нити чистого углерода. Поэтому их переплетают между собой, создавая тем самым, углеродную ткань. Сам же карбон, состоит из множества слоев этой ткани, которые клеят между собой эпоксидной смолой. Для большей прочности, все ткани имеют разный рисунок плетения нитей и укладываются в разном направлении. Основными плюсами карбона являются его прочность, не уступающая некоторым металлам, и малый вес (он легче алюминия на 20%). Именно это очень повлияло на распространение данного материала. Ведь снижения веса, без понижения прочности – это то, к чему стремится каждый, конструктор создающий изделия для спорта высших достижений[5].

2.2 Углеродные волокна

Основным конструктивным элементов воспринимающим нагрузки в ходе эксплуатации, является углеволокно.

У глеродные волокна – волокна, получаемые термической обработкой исходных химических и природных волокон и характеризующиеся высоким содержанием(до99,5% по массе) углерода. Исходными служат волокна на основе гидратцеллюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменно-угольных пеков.

Химический состав углеродных волокон зависит от условий их получения. С повышением температуры термической обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%.

Надмолекулярная структура углеродных волокон включает фибриллярные образования с чередованием аморфных и кристаллических областей. Последние состоят из ленточных или плоскостных участков графитоподобной структуры. С увеличением температуры и натяжения при высокотемпературной обработке степень ориентации и кристалличность углеродных волокон возрастают.

Углеродные волокна характеризуются высокой пористостью, площадь внутренней поверхности достигает 50-400 м²/г. Форма поперечного сечения углеродных волокон такая же, как у исходных волокон, а его площадь при пиролизе и карбонизации существенно уменьшается и составляет обычно около 16-100 мкм². Поперечное сечение углеродных волокон на основе пеков при обработке меняется мало и достигает 900 мкм².

Углеродные волокна малогигроскопичные, но благодаря развитой поверхности они сорбируют водяные пары (до влажность порядка 0,2-2%), не меняя при этом своих физико-механических свойств.[8]

Для изготовления плеча спортивного лука была выбрана углеродная однонаправленная лента марки FibARMTape, которая отвечает поставленным требованиям и отличается высокой технологичностью, при сравнительно низкой цене, механические свойства указаны в таблице 3.

Рисунок 4 – Углеродная однонаправленная лента [6]

Таблица 3 – Свойства углеродной однонаправленной ленты FibARMTape[5]

3. Выбор связующего на основе теории монолитности

Выбор связующего, обеспечивающего монолитность многослойного тканного углепластика является наиболее трудной практической задачей. При решении этой задачи будем исходить из следующего. Есть элемент микроструктуры ткани, образованной перекрещивающимися под углом 2α нитями основы. Напряжение в связующем на контуре этого элемента находятся из условия совместности деформации связующего и нитей σ_км/σ_а= Е_км/Е_а. Учитывая условия совместной деформации и применяя теорию прочности Губера-Мизеса для расчета эквивалентного напряжения формируем условия монолитности для тканных армирующих материалов.

У словие монолитности для ориентированных композитов имеет вид системы неравенств (1), связывающих упруго-прочностные характеристики и относительное содержание исходных компонентов.

где – адгезионная прочность, e – деформативность, Е – модуль упругости, s – прочность, F – объемное содержание, – коэффициент

Пуассона связующего, К_и – коэффициент использования прочности арматуры, индексы А и М – соответственно армирующий элемент и матрица[3].

Решая эту систему, получаем требования к элементам композита по его геометрии, обеспечение которых обеспечит создание монолитной структуры, полагая в первом приближении F_А=0,5; μ_c=0,3; K_и=0,9; σ_А= 3000 МПа; Е_А= 21 ГПа; ε_А=2,7 % в систему уравнений получаем:

σ_км/ σ_а ≥ 0, 128 (α-0,31), τ_сдв/σ_а≥ 0,085 (α-0,31), τ_адг/σ_а≥ 0,085 (α-0,31) (2)

Наибольший вклад в прочность системы вносит адгезионная прочность. Меньший вклад вносит прочность и модуль упругости связующих. Взаимодействие связующего с поверхностью волокна начинается на стадии смачивания. Полнота смачивания – разница в поверхностной энергии волокна и матрицы (это первый критерий подбора компонентов КМ). Хорошее смачивание зависит от природы компонентов и предопределяет высокую адгезию, которая обусловлена силами физического и химического взаимодействия на границе контакта двух фаз.

Таким образом, физико-химическая совместимость в значительной мере определяет структуру, а, следовательно, и свойства КМ.

С учетом выполнения условий (1)

Наиболее распространенным связующим для композитов являются связующие на основе эпоксидных полимеров. Эпоксидные полимеры до настоящего времени остаются наиболее перспективными среди других высокомолекулярных органических веществ с точки зрения получения материалов с высокими физико-механическими свойствами. Характеристики отвержденных смол представлены в таблице 3. Армированные пластики на основе эпоксидных матриц превосходят по ряду прочностных показателей лучшие марки легированных сталей. На основе эпоксидных систем получаются клеи и покрытия с максимальной величиной адгезионной прочности к полимерным материалам.

Т аблица 3 – Характеристики отвержденных смол [7]

Выбор конкретной марки эпоксидной матрицы осуществим с позиции теории монолитности. Композиционный материал считается монолитным, если его разрушение связано с потерей сплошности армирующих элементов.

В случае, если разрушение системы обусловлено разрушением полимерной матрицы или связи на границе раздела, либо потери устойчивости волокна, то система не монолитна и высокая прочность волокна реализуется не полностью. Эпоксидные смолы приобретают технически важные свойства лишь в результате превращения в сетчатый полимер.

Химическая природа и строение молекул отвердителей во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на технологические свойства исходных композиций, но и эксплуатационные характеристики полимеров[10].

Условиям, обеспечивающим монолитность наиболее удовлетворяет эпоксифенольное связующее марки ЭФ32 - 301. Состав связующего указан в таблице 4.

Таблица 4 – Рецептура раствора связующего ЭФ-32-301 [5]

Связующее марки ЭФ-32-301 представляет собой раствор эпоксидной смолы Э-40 (или ЭД-16) и бакелитового лака ЛБС-4 в органических растворителях, используется в промышленности около 45 лет, но до сих пор представляет практический интерес, т.к. простота технологии, доступность сырья, стабильность свойств получаемых на его основе стеклопластиков привлекают многих производителей.

Таблица 5 – Физико-механические характеристики эпоксифенольногосвязующего ЭФ32 – 301 [10]

Основной недостаток этого связующего – длительность и высокая энергоемкость процесса отверждения. Температура отверждения достигает 200 °С, а общая продолжительность цикла отверждения стеклопластиков - 24 часов. Для снижения времени отверждения в композицию рекомендуется вводить ускорители отверждения марки УП 0613 и УП 0629.

Ускорители представляют собой комплексные соли УП 606/2 и дифенилолпропана, порошкообразный продукт, не вызывает трудностей при введении в связующее, легкорастворимы. Время отверждения стеклопластика толщиной до 10 мм на основе данного связующего, содержащего ускорители не превышает 7 часов.

Таблица 6 – Реальны свойства углепластиков на основе ЭФ32 - 301эпоксидного и полиамидного связующего[10]