книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

В другом экспериментальном исследовании использовалась многонаправленная цилиндрическая структура из обмотанных нитью подэлементов, описанная в гл. 2. Цилиндры диаметром 230 мм были армированы высокомодульными нитями в осевом и окружном направлениях. В качестве материалов матрицы исслет довались фенольные смолы, пеки, химически осажденный углерод и его комбинации с фенольной смолой. Пропитка жидкими веществами проводилась при низком давлении, как описано в гл. 3. Прочность при растяжении в окружном направлении и прочность при сжатии в осевом направлении определялись на кольцевых образцах. Результаты испытаний приведены в табл. 4.3 и 4.4. Наилучшие свойства при растяжении и сжатии обнаружили композиты, образованные химическим осаждением углерода. Заметно, что химическое осаждение улучшает связь волокон с матрицей.

4.2.Влияние пористости на свойства углеродных композитов

Анализ экспериментальных данных показывает, что жесткость и прочность изделий из УУКМ существенно зависят от по­ ристости углеродной матрицы, заполняющей пространство в каркасе композита и жгутах. В связи с этим и применяют различные технологические приемы повышения плотности (на­ пример, наполнение под давлением, повторное наполнение и т.д.).

УУКМ, получаемые газофазным способом, характеризуются достаточно развитой пористостью, определяющей в значительной степени их физико-химические свойства. Пористостью определя­ ются высокая газопроницаемость и пониженная химическая стойкость, что вызывает необходимость разработки специальных технологических методов, направленных на снижение газо­ проницаемости и повышения эксплуатационных характеристик. Эффективная разработка этих процессов требует знания харак­ теристик пористой структуры, основными из которых являются величина открытой пористости и характер ее распределения по размерам эквивалентных радиусов пор. С этой точки зрения целесообразно классифицировать поры, основываясь на механике перемещения в них газов и паров.

В физике низких давлений [33 J истечение газа через единичную течь может быть описано тремя возможными ме­ ханизмами в зависимости от числа Кнудсена, определяемого как отношение длины свободного пробега молекул газа к характерно­ му размеру канала 2г. При Я/2г > 1 течение газа молекулярное,

течения газа. Длина свободного пробега молекул метана при

следующие группы: фольмеровские (с г до 25 -35А), кнудсеновские (г от 25—35А до 300—350А), переходные [с г от 300—350 А до (30-J-35)* 103 А 1 и пуазейлевские (с г более 35*103 А) поры.

Для детального анализа влияния технологических факторов на формирование пористой структуры УУКМ целесообразно из группы пуазейлевских выделить макропоры, т. е. поры с

г > 105А. Такая классификация полезна для изучения кинетики доуплотнения ПУ.

Скорость диффузии в порах радиусом менее 350 А (кнудсеновские поры) определяются молекулярным потоком Кнудсена, так как средняя длина свободного пробега молекул газа А в этих условиях соизмерима с характерным размером пор 2г. В данном случае коэффициент диффузии прямо пропорционален радиусу пор. Для пор с размером радиуса, на порядок и более превышающих А, при атмосферном давлении перенос газа осуществляется путем обычной диффузии (пуазейлевские поры

г > З Ю3 А). В этих условиях коэффициент не зависит от характерного размера пор, равен обычному коэффициенту диф­ фузии в газах при атмосферном давлении и колеблется в интервале 0,1 —1,0 см2/с.

Из применяемых в настоящее время методов исследования пористой структуры УУКМ наиболее распространен метод ртут­ ной порометрии (РП-метод), позволяющий относительно просто и быстро исследовать характер распределения пор практически во всем диапазоне размеров с достаточной точностью.

РП-методом исследовали две группы материалов: на основе ортогонального трехмерно-армированного каркаса на базе жгута УКН-5000 (тип I) и тканевого прошивного пакета на базе ткани Урал-ТМ/4 (тип II). Исследования проводили по методике [71 ].

Распределение пор по размерам определяли на ртутном поромере при давлениях от 0,027 до 250,0 МПа, позволяющем

ных ртутью пор. Характерно, что для этих групп материалов преобладающими являются переходные поры.

Рис. 4.5. Интегральные структурные кривые распределении объема пор по размерам их эквивалентных радиусов: 1—УУКМ тип I; 2—УУКМ тип II

Рис. 4.6. Дифференциальные структурные кривые распределения объема пор по размерам их эквивалентных радиусов: 1—УУКМ тип I; 2— УУКМ тип II

На рис. 4.5, 4.6 представлены интегральные и диффе­ ренциальные структурные кривые распределения объема пор по размерам их эквивалентных радиусов. Характер интегральной и дифференциальной кривых указывает на наличие в этих ма­ териалах группы пор с узким интервалом эквивалентных ра­ диусов, на долю которых приходится большая часть объема пор данного интервала.

Анализ данных табл. 4.5 и структурных кривых показывает, что преобладающими в материале типа I являются переходные и макропоры, а в материале типа II—кнудсеновские и переходные. Фольмеровские поры в обоих материалах не обнаружены.

ристости УУКМ на примере материала тип I проводили методом секущих при помощи оптической микроскопии. Исследовали образцы высотой 20 мм и диаметром в плоскости оптических

исследований 40 мм. Основные характеристики образцов приведе­ ны в табл. 4.6.

Т а б л и ц а 4.6 Характеристика образцов из УУКМ типа I, полученная

Анализ кривых распределения размеров макропор (рис. 4.9) показывает, что этот материал имеет широкий спектр макропор размером от 0,05 до 2,0 мм. Наибольшее удельное содержание

Рис. 4.9. Распределение макропор по размерам для УУКМ с разной плотностью: 1750 (7), 1690 (2) и 1560 кг/м3 (J)

их приходится на макропоры размеров 0,2—0,3 мм (12, 18,

26 % для образцов с плотностью 1750, 1690, 1560 кг/м3, соответственно).

Для материалов с высокой плотностью и низкой газопроница­ емостью характерно наличие мелких макропор с размерами не более 0,5 мм. Для материала с меньшей плотностью преоблада­ ющими являются макропоры с размерами более 0,5 мм. Макро­ пористость указанных образцов приведена в табл. 4.6. С точки зрения химической стойкости эти материалы без дополнительной улучшающей обработки не могут считаться оптимальными в

4.3.Свойства углеродных композитов

Физико-механические характеристики углерод-углеродных ма­ териалов существенно зависят от схем армирования, типа армирующих волокон и взаимодействия волокон и матрицы. В табл. 4.8 приведены для сравнения свойства структурных элемен­ тов и усредненные характеристики УУКМ. Эта таблица показы­ вает также, как влияет введение высокопрочных углеродных волокон в углеродную матрицу на прочность и жесткость в случае, когда достигнуто хорошее межфазное взаимодействие.

Т а б л и ц а 4.8 Сравнение свойств углеродных волокон н УУКМ с обычным графитом [100]

Особый интерес представляют однонаправленные УУКМ, ис­ следование деформирования и разрушения которых позволяет понять особенности взаимодействия волокон и матрицы, а также апробировать модели и методы прогнозирования свойств углерод­ ных материалов. При этом наилучшее соответствие теории и практики было получено на системах, не подвергнутых графитизации.

Приведем свойства однонаправленных углеродных композитов:

От природы поверхности раздела в углерод-углеродных ком­ позитах зависит, получится ли композит хрупким, чувствитель­ ным к дефектам или вязким, стойким к термическим напря­ жениям. Хорошо известно, что для полимерных композитов роль поверхности раздела и возможность управления ее свойствами являются исключительно важными [14]. Это справедливо также для УУКМ. Высокая прочность композита основана на хорошей

связи поверхности раздела, способной передать нагрузку от волокон к матрице. Однако если используются высокопрочные волокна, то и они, и матрица очень хрупки. Вследствие этого высокая прочность поверхности раздела может быть нежелатель­ ной, особенно при динамических нагрузках. Исследования пока­ зали [100], что упругие свойства УУКМ незначительно отлича­ ются от упругих свойств аналогичных углепластиков. Прочность же углерод-углеродных композитов более низкая в связи с малой прочностью на сдвиг углеродной матрицы.

В работе [94] показано, что в случае слишком высокой прочности поверхности раздела (1/5 до 1/3 от прочности межмолекулярной связи основного материала) композит, изготов­ ленный из хрупких твердых тел, будет вести себя, как однородное хрупкое тело. Если межслойная прочность находится в правильно выбранном диапазоне, опасность возникновения трещин по поверхности раздела устраняется и обеспечивается вязкость и прочность материала.

Степень связи волокон с матрицей очень сильно зависит от состояния поверхности волокон, исходного материала матрицы и технологии. Многие типы волокон подвергают поверхностной обработке для обеспечения хорошей связи с применяемыми в конструкционных композитах смолами. Если такая связь достигнута, то при изготовлении углерод-углеродного композита можно получить хрупкое твердое тело, не имеющее поверхности раздела.

Влияние состояния поверхности волокон на механические свойства углерод-углеродных композитов продемонстрировано при исследовании различных специально обработанных промышлен­ ных волокон [55]. Эксперименты проводились на однонаправлен­ ных углерод-углеродных композитах. Приводим типы исследован­ ных промышленных волокон на основе полиакрилонитрила [55]:

Образцы изготовлены прессованием прядей из 104 волокон, предварительно пропитанных фенольной смолой. Заготовки пере­ рабатывались в углерод-углеродные композиты термообработкой в инертной атмосфере после насыщения пиролитическим углеродом путем химического осаждения.

В табл. 4.9 приведены механические свойства однонаправлен­ ных углепластиков, изготовленных из перечисленных выше волокон. В большинстве случаев волокна с обработанной поверх­ ностью придавали композиту несколько более высокую прочность в осевом и поперечном направлениях, а также значительно увеличивали работу разрушения и прочность межслойного сдвига.