Выбор закона укладки волокон в плоскости и по толщине пакета определяется назначением конструкции и предъявляемым к ней требованиям по условиям эксплуатации. Рассчитывая напряженно деформированное состояние элементов конструкции при действии внешних нагрузок, конструктор одновременно проектирует материал, формируя требования к углу укладки слоев и закону размещения их по толщине таким образом, чтобы напряжение, возникающее в элементах конструкции при заданном распределении действующих внешних нагрузок, было наименьшим. При этом особое внимание должно быть проявлено к выбору оптимальной схемы укладки слоев в зонах приложения сосредоточенных нагрузок с целью обеспечения повышенной надежности конструкции из КМ. Одновременно с разработкой схемы укладки конструктор получает возможность выбрать армирующий материал, который позволит решить поставленную задачу при минимальной массе конструкции. Такое решение достигается путем сравнения проектируемых материалов с традиционным конструкционным материалом, например, с алюминиевым сплавом Д16АТ — наиболее распространенным материалом в авиационной промышленности. Если принять массу конструкции из алюминиевого сплава Д16АТ за 100 %, то масса рассматриваемых композитных материалов при одинаковой прочности конструкции в условиях действия одинаковой внешней нагрузки будет пропорциональна отношению удельной плотности для сплава Д16АТ и композитного материала. Эта зависимость представлена на рис. 16.
Как видно из диаграмм на этом рисунке, масса конструкций из композитных материалов на основе УОЛ-300-К, УТ-900 и стеклопластика, характеристики которых представлены в табл. 4, будет соответственно на 45, 35 и 20 % меньше массы конструкций из сплава Д16АТ.
Следует отметить принципиальное преимущество композитов перед традиционными материалами, которое заключается в следующем. Выбирая материал для различных узлов и агрегатов создаваемой конструкции инженер определяет и заказывает марку металла, отвечающего требованиям данной конкретной конструкции. Для создания одной машины может понадобиться несколько (иногда более десятка) различных марок одного и того же материала, например, стали, которые изготавливаются зачастую на разных заводах.
В случае же с композитными материалами конструктор, варьируя схемой укладки волокон и их размещением по толщине, разрабатывает целую гамму материалов для самых различных узлов и агрегатов своей конструкции, обеспечивая тем самым замкнутый цикл: производство материала — производство изделия.
Слоистая структура рассматриваемых композитных материалов обладает таким серьезным недостатком, как относительно низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и обусловленная этим склонность к расслоению. Эти отрицательные особенности КМ начинают особенно отчетливо проявляться при создании толстостенных конструкций, так как возрастает число технологических факторов, определяющих эти способности.
Радикальное увеличение сопротивляемости межслойному сдвигу и поперечному отрыву слоев можно достигнуть созданием межслойных связей. Технологически это осуществляется, в основном, двумя принципиально различными путями: это, во-первых, создание материалов с пространственным расположением армирующих волокон, и, во-вторых, создание пространственных связей между слоями при помощи вискеризации волокон.
В зависимости от способа построения пространственного армирования композитных материалов можно выделить следующие основные группы:
1. Материалы, пространственные связи в которых осуществляются переплетением волокон основы с прямолинейными волокнами утка, как это схематично показано на рис. 17.
2. Материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления. Эти композитные материалы образуются системой трех нитей в прямоугольной (рис. 18) или цилиндрической системе координат. Волокна могут быть ортогональными или располагаться под углом в одной из плоскостей армирования.
Применение трехмерноармированных тканей для изготовления КМ позволяет на порядок увеличить межслойную прочность на отрыв и существенно повысить сопротивление сдвигу по сравнению с прочностью слоистых материалов.
