книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

Вгл. 2 изложены основные принципы конструирования армирующих систем (каркасов). Приведены схемы армирования углерод-углеродных материалов различной ориентации, широко применяемые на практике.

Вгл. 3 рассмотрены вопросы формирования углеродной матрицы и материала в целом. Приведены типы углеродной матрицы и влияние технологических параметров процесса на ее структуру. Рассмотрено влияние исходной матрицы и леги­ рования на свойства материала.

Вгл. 4 приведены физико-механические свойства и структура углеродных композитов при комнатной и повышенной температу­

ре. Большое внимание уделено вопросам влияния пористости и вида армирования на характеристики материала. Рассмотрены вопросы разрушения и трещиностойкости углерод-углеродных композитов.

Вгл. 5 рассматриваются методы осреднения в краевых задачах механики углерод-углеродных композитов; осреднение стохастической задачи микромеханики на основе модели однород­ ной среды, метод локального приближения и метод периоди­ ческих составляющих. Проведена оценка влияния дискретного и непрерывного разбросов упругих свойств армирующих волокон на механическое поведение однонаправленного углеродного ком­ позита и исследовано закритическое деформирование и разру­ шение углерод-углеродного материала.

Вгл. б изложены методы прогнозирования деформационных

свойств углерод-углеродных материалов. В рамках структурно­ феноменологического подхода рассмотрены модели деформиро­ вания пространственно армированных композитов и получены определяющие соотношения для различных структур. Приведены результаты численного прогнозирования упругих свойств угле­ родной матрицы и композита в целом. Разработан подход, позволяющий описывать кривые деформирования с учетом ниспа­ дающего участка.

В' гл. 7 в рамках многоуровневого подхода рассмотрены вопросы прогнозирования прочностных свойств и трещиностой­ кости углеродных композитов. Разработаны методы численного построения предельных поверхностей и критериальных соотно­ шений для углеродного материала на основе сплайн-аппрокси­ мации. Приведены результаты численного прогнозирования предельных характеристик тканых слоистых композитов с угле­ родной матрицей.

В гл. 8 содержатся результаты численного исследования механического поведения и несущей способности оболочечных конструкций и осесимметричных тел из углерод-углеродных композитов при действии нестационарных силовых нагрузок. Найдены поля напряжений и деформаций, показаны зоны разрушения рассмотренных конструкций.

Резкое расширение области приложения углерод-углеродных композитов вызывает необходимость комплексного подхода в технологической механике материалов. Предлагаемая вашему

вниманию книга является одним из этапов исследований в области углеродных композитов.

Раздел 5.7 написан при участии В.Э Вильдемана, раз­ дел 6.2—при участии В.Е. Шавшукова, раздел 7.2—при участии Р.Я. Газизова, раздел 8.2—при участии А.Г. Котова. Авторы благодарны сотрудникам кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского государственного техни­ ческого университета А.Н. ■Аношкину, О.Л. Кравченко и М.А. Панькову, принимавшим участие в подготовке материалов для монографии, и Н.М. Соломоновой—за оформление рукописи.

Г Л А В А 1

СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ АРМИРУЮЩИХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

1.1. Общая характеристика углеродных волокнистых наполнителей

Углеродные материалы, применяемые в качестве армирующих наполнителей в производстве углерод-углеродных композицион­ ных материалов (УУКМ), изготовляются в виде нитей, жгутов, тканей, лент, трикотажа, войлока. Выбор их зависит от назна­ чения, способа переработки, конструктивных особенностей изде­ лий и условий их эксплуатации.

Благодаря высокой удельной прочности углеродные волокни­ стые наполнители (УВН) занимают среди жаростойких волокон особое место. В зависимости от температуры термической обработки (ТТО) и содержания углерода УВН подразделяются на частично карбонизованные (ТТО менее 900 °С, содержание угле­

содержание углерода более 99 %). Термин «графитированные волокна» условен, так как УВН состоят из неграфитирующегося углерода [46].

Углеродные волокна изготавливаются из полиакрилонитриль­ ных (ПАН) волокон, вискозных (гидратцеллюлозных волокон) и угольных пеков [58]. ПАН-волокно служит для получения высокомодульных и высокопрочных углеродных волокон (УВ). Одним из преимуществ ПАН-волокна является большой выход углерода (примерно 40 % от массы полимера) [из гидратцеллюлозы (ГЦ)—немногим более 20 %]. Благодаря особенностям строения исходного полимера высокопрочные УВН удается по­ лучить сравнительно простым способом.

Свойства УВ зависят от структуры ПАН-волокна, erq физико­ механических свойств, химического состава и текстильной формы волокна, а также от степени ориентации, толщины и наличия дефектов. Загрязнение ПАН-волокна оказывает большое влияние на свойства УВ. В результате выгорания инородных включений во время карбонизации на поверхности УВ возникают трещины, резко снижающие его свойства.

Процесс получения УВ состоит из трех стадий: окисления, карбонизации и графитации [74]. Окисление облегчает последу­ ющее дегидрирование (удаление водорода) ПАН-волокна и созда­ ет предструктуры, обеспечивающие образование оптимальной структуры углерода и механических свойств УВН. При полу­ чении УВ особое значение имеет вытягивание волокна во время окисления, приводящее к значительному увеличению прочности

имодуля УВ.

Впроцессе карбонизации происходят более глубокие терми­ ческие превращения полимера, потери массы ПАН-волокна; содержание углерода доходит до 90—95 %.

Графитация карбонизованного волокна осуществляется при очень высоких температурах (до 2400 °С) в инертной среде. На этой стадии в большей мере, чем при карбонизации, необходима тщательная очистка от следов кислорода, а также исключение возможности попадания кислорода воздуха в реакционное прост­ ранство.

Процесс получения УВ из гидратцеллюлозных волокон вклю­ чает три стадии: пиролиз, карбонизацию, графитацию. В процес­ се пиролиза (температура 350—400 °С) происходит дегидратация, деполимеризация и более глубокая деструкция с образованием различных продуктов распада. На этой стадии наблюдается наибольшая потеря массы материала (табл. 1.1.), образуются предструктуры, участвующие при более высоких температурах в создании углеродной структуры.

Т а б л и ц а 1.1

Относительное изменение массы полимерных волокон в процессе кар­ бонизации при нагреве в инертной среде (аргон) [39]

образование структуры. Прочность и модуль упругости волокна

возрастают.

Графитация—высокотемпературная обработка, начальная тем­ пература ее определяется конечной температурой карбонизации и

99 %. Графитированное волокно содержит кристаллическую и аморфную части углерода. Благодаря этому волокно характеризу­ ется высокими механическими свойствами и достаточной эла­

стичностью.

Углеродные волокна из изотропных нефтяных и каменно­ угольных пеков получают методом формирования из расплава с последующей карбонизацией и высокотемпературной вытяжкой.

Для получения исходного волокна из нефтяного и каменноуголь­ ного пеков предварительно удаляют летучие соединения, а затем путем термической и термоокислительной обработки превращают пек в промежуточную фазу (мезофазу), из которой получают каучукоподобный материал для формования волокна. Волокнам из пека свойственна нефибриллярная структура, приближающая­ ся к стеклоуглероду.

Нефтяные и каменноугольные пеки являются перспективным сырьем для получения УВ в сравнении с получившими распрост­ ранение УВ, производимыми путем пиролиза волокон из поли­ акрилонитрила и вискозы, так как характеризуются доступностью

идешевизной, высоким содержанием углерода и высоким

1.2.Углеродные армирующие волокна

Существуют различные классификации УВН [74]: по макси­ мальной ТТО, элементному составу органической массы, основ­ ным областям применения, физико-механическим показателям. По физико-механическим показателям УВ классифицируют на

высокомодульные (Е > 350 ГПа), высокопрочные (стЦ>3,0 ГПа),

низкомодульные (Е < 100 ГПа) и, в связи с получением из пеков, среднемодульные (Е « 200 ГПа).

В зависимости от назначения углеродные волокна подразделя­ ют на высокомодульные, предназначенные для армирования композитов конструкционного назначения, и низкомодульные, предназначенные для армирования композиционных материалов теплозащитного, антифрикционного и других специальных назна­ чений. Свойства этих волокон приведены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2

Углеродные волокна имеют фибриллярное строение. Харак­ терный элемент структуры—закрытые поры, которые могут занимать до 33 % объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы они вдоль оси волокна, их средняя длина

Механические характеристики промышленных углеродных волокон [44, 85]:

прочность (oj), модуль упругости (£), предельное удлинение (с)

Наиболее важное значение имеют ПАН-углеродные волокна, термообработанные при низких (нт) и средних (ст) температурах. Наилучшие высокопрочные волокна нового поколения имеют прочность 4000—5000 МПа и выше. Разрывное удлинение этих

волокон превышает 2 % при модуле упругости 250—280 ГПа [44].

С увеличением модуля упругости материал становится более жестким, что приводит к уменьшению разрывных деформаций волокон. Изменяя условия графитации, можно регулировать эластичные свойства.

Из выпускаемых отечественной промышленностью УВ на основе ПАН-волокна для получения пространственно армирован­ ных УУКМ в качестве армирующих наполнителей наиболее широко применяют нити (жгуты) УКН, ВМН, ВПР-19с. Благода­ ря сравнительно удачному сочетанию прочностных характеристик и способности к 'переработке в различные изделия одно из ведущих мест в производстве УУКМ занимает углеродный жгут УКН. Практический интерес для производства УУКМ представ­

ляют нити ЭЛУР, КУЛОН (Е = 400 ч- 600 ГПа; oJ=2 0 ГПа).

Требования к свойствам волокон зависят от их назначения и от возможности их применения для конкретных изделий. Судить о применении УВ можно лишь по комплексу характеристик: модулю упругости, прочности, адгезии к матрице, способности к переработке в материал машинными способами. Последнее очень важно в технологии получения УВН для УУКМ механизирован­ ным способом. Так, из УВ с высокими жесткостью, хрупкостью и малым относительным удлинением очень трудно получить УВН ткачеством, плетением, а из низкомодульных это сделать сравнительно легко. Указанные факторы учитываются при выборе УВ для конкретной технологии. В частности, при изготовлении оболочечных каркасов на ткацких машинах используют преиму­ щественно нить Урал-Н, сырьем для получения которой служит вискоза. Нить состоит из 8 тысяч филаментов (элементарных нитей), которые затем в пучке закручиваются. Степень за­ кручивания только жгута К = 128 кручений на 1 м. Нить получается путем термообработки при Т = 2200 °С. Линейная

плотность жгута Т = 229 текс., диаметр (0,5 ч- 0,7) • 10~3 м; модуль упругости Е = 20 ч- 50 ГПа; сР = 1,0 ч- 1,4 ГПа. При

1.3.Углеродные ткани, ленты

Структура углеродных тканей и лент определяется видом переплетения исходного материала (полотняное, саржевое, сати­ новое и т. п.). Плотность ткани по основе или утку характеризу­ ется числом нитей на длине ткани в 100 мм, плотность трикотажного полотна по вертикали—числом петельных рядов, а по горизонтали—числом петельных столбиков, приходящихся на