INFLUENCE OF HIGH TEMPERATURE TREATMENT ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS WITHPYROCARBON MATRIX

Abstract


Pyrolytic compaction of porous substrates is one of the methods for obtaining carbon-carbon composite materials. When using such materials at high temperatures, for example, as elements of heaters, it is necessary to take into account the effect of high temperatures on their mechanical characteristics. In this work, the influence of high-temperature treatment on me-chanical characteristics was studied and the mechanism of destruction of samples of the mate-rial "Argolon GR" produced by JSC "Composite" was considered. It is shown that with an in-crease in the processing temperature from 1800 to 2400 °C, the open porosity of the samples increases in proportion to the increase in the number and size of cracks in the samples. The compressive failure stress depends very weakly on temperature, however, the graph of the corresponding dependence clearly shows its slight decrease with an increase in the processing temperature from 2000 to 2400 °C, which corresponds to the accumulation of damage in the material matrix that reduces its strength. Attention is drawn to a significant increase in the ten-sile strength of the material after high-temperature treatment, which is not typical for carbon-carbon composite materials. The dependence of the breaking stress in tension with an increase in the processing temperature for material samples has a pronounced maximum at 2000 °C. The analysis of the change in impact strength, the roughness parameter of the fracture surface of the samples, and the breaking stress in tension showed that the dominant mechanism during fracture is the mechanism of strength increase associated with the violation of the compatibility condition of deformations in the components of the material, while the effect of thermal stress relaxation is very small.

Full Text

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) благодаря весогабаритным и высоким прочно-стным характеристикам, а также длительному сроку службы в условиях высоких температур без выгорания являются перспективными конструкционными материа-лами, которые находят свое применение в различных областях народного хозяйства [1–4]. УУКМ, изготовленные газофазным уплотнением армирующих углеродных каркасов пироуглеродной (ПУ) матрицей, приходят на смену хрупким графитовым изделиям в машиностроении, таким как нагреватели термического оборудования, высокотемпературные крепежные эле-менты и др. Значительное влияние на механико-прочностные характеристики УУКМ помимо армирующего наполнителя [5; 6] оказывает ПУ-матрица, классификация которой основана на понятии оптической анизотропии и угла экстинкции, определяемого при анализе микрофотографий, полу-ченных в плоскополяризованном свете [7–15]. В ряде работ рассматривается влияние типа тексту-ры ПУ-матрицы на механико-прочностные характери-стики УУКМ. В работе [16] авторы для двух образцов УУКМ с грубой ламинарной ПУ-матрицей и смешанной ПУ-матрицей отмечают различие в пределе прочности при изгибе (99 ± 13 и 126 ± 17 МПа соответственно), модуле упругости (13,9 и 14,4 ГПа соответственно). Более высокие прочностные характеристики УУКМ со смешанной ПУ-матрицей связаны, по мнению авторов, с наличием дефектов в ПУ-матрице в виде конусов на-растания, что обеспечивает лучшее механическое сцеп-ление матрицы. Для УУКМ с гладкой ламинарной ПУ-матрицей предел прочности при изгибе составляет 208,8 ± 19,8 МПа, межслойный сдвиг 26,4 ± 3,1 МПа, в то время как для УУКМ с грубой ламинарной ПУ-мат-рицей предел прочности при изгибе – 149,5 ± 17,0 МПа, межслойный сдвиг – 22,5 ± 2,5 МПа [17]. Зависимость прочности на изгиб для образцов УУКМ с различным типом ПУ-матрицы отмечают в работе [18]. Влиянию высокотемпературной обработки (ВТО) на механико-прочностные характеристики УУКМ посвящено лишь небольшое количество работ. Хотя это важно учитывать при использовании УУКМ с ПУ-матрицей в условиях высоких температур. Так, авторы отмечают, что после ВТО в ПУ-матрице появились трещины, что отрицательно сказалось на механических свойствах УУКМ [19]. Ухудшение прочности на изгиб образцов УУКМ после ВТО отмечают авторы в работе [20], что, по их мнению, связано с ухудшением прочности связи на границе «волокно – ПУ-матрица». А в работе [21] прочность УУКМ на изгиб не изменилась после ВТО. Следует отметить, что предел прочности материала при изгибе – комплексная величина, на которую влияют как прочностные, так и упругие характеристики материала при растяжении и сжатии, а также склонность материала к масштаб¬ным эффектам жесткости и прочности. Таким образом, определение механических свойств при растяжении и сжатии более информативно. В работах, посвященным влиянию ВТО на механи-ко-прочностные характеристики УУКМ, не рассматри-вается механизм разрушения материала, а изменение прочностных характеристик обычно связывают с изменением структурных характеристик, таких как межплоскостное расстояние d002, размер кристаллитов в направлении укладки графитовых слоев Lc и средний размер графитовых плоскостей параллельно слою в кристаллитах La, степень графитации. Данная статья посвящена определению влияния ВТО на образование трещин в ПУ-матрице УУКМ и механико-прочностные характеристики УУКМ.

About the authors

M. V. Magnitskaya

Joint-StockCompany “Kompozit”

I. V. Magnitsky

Joint-StockCompany “Kompozit”

S. V. Tashchilov

Joint-StockCompany “Kompozit”

D. A. Tsvetkov

Joint-StockCompany “Kompozit”

References

  1. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. – М.: АспектПресс, 1997. – 718 с.
  2. Щурик А.Г. Искуственные углеродные материалы. - Пермь, 2009. - 342 с.
  3. Morgan P. Carbon Fibers and their Composites. - Boca Raton: CRC Press, 2005. - 1131 p. doi: 10.1201/9781420028744
  4. Effect of heat treatment on cracking and strength of carbon/carbon composites with smooth laminar pyrocarbon matrix / L. Xia [et al.] // Materials and design. - 2016. - Vol. 107. - P. 33-40. doi: 10.1016/j.matdes.2016.06.017
  5. Effect of high temperature treatment on the microstructure and elastoplastic properties of polyacrylonitrile-based Carbon fibers / F. Yang [et al.] // Carbon. - 2020. - Vol. 158. - P. 783-794. doi: 10.1016/j.carbon.2019.11.055
  6. New discovery on the relationship between microstructure and tensile strength of PAN-based carbon fibers / T. Wu [et al.] // Microporous and Mesoporous Materials. - 2022. - Vol. 330. - P. 111548. doi: 10.1016/j.micromeso.2021.111584
  7. Diefendorf R.J., Tokarsky W.E. The relationships of structure to properties in graphite fibers Part I. - US Air Force report. AFML-TR-72-133, 1972. - 84 p.
  8. Lieberman M.L., Noles G.T. Effect of flow rate on gas composition during the isothermal pyrolysis of methane // Carbon. - 1974. - Vol. 12. - P. 689-693.
  9. Regenerative laminar pyroCarbon / X. Bourrat [et al.] // Carbon. - 2002. - Vol. 40, is. 15. - P. 2931-2945. doi: 10.1016/S0008-6223(02)00230-0
  10. Vallerot J.-M. De pyrocarbone: propri'et'es, structure et anisotropieoptique. - L'universite Bordeaux I, 2004. - 276 p.
  11. Vallerot J.-M., Bourrat X. PyroCarbon optical properties in reflected light // Carbon. - 2006. - Vol. 44, no. 8. - P. 1565-1571. doi: 10.1016/j.carbon.2005.12.046
  12. Quantitative structural and textural assessment of laminar pyroCarbons through Raman spectroscopy, electron diffraction and few other techniques /j.-M. Vallerot, X. Bourrat, A. Mouchon, G. Chollon // Carbon. - 2006. - Vol. 44, no. 9. - P. 1833-1844. doi: 10.1016/j.carbon.2005.12.029
  13. Measurement of the extinction angle about laminar pyrocarbons by image analysis in reflection polarized light / M.-L. Li [et al.] // Materials Science and Engineering: A. - 2007. - Vol. 448, no. 1. - P. 80-87. doi: 10.1016/j.msea.2006.11.104
  14. Xu M., Guo L., Fu Y. Effect of pyrocarbon texture on the mechanical and oxidative erosion property of SiC coating for protecting carbon/carbon composites // Ceramics International. - 2021. - Vol. 47, no. 23. - P. 32657-32665. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.08.162
  15. Friction properties of bulk isotropic pyrocarbon materials based on different composite microstructures / Y. Wang [et al.] // Journal of Materials Research and Technology. - 2022. - Vol. 21. - P. 4079-4092. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.11.021
  16. Effect of structure of pyrocarbon on the static and dynamic mechanical properties of carbon/carbon composites / M. Hao [et al.] // Materials science and engineering: A. - 2014. - Vol. 614. - P. 156-161. doi: 10.1016/j.msea.2014.07.038
  17. Mechanical and thermal conduction properties of carbon/carbon composites with different carbon matrix microstructures / X. Liu [et al.] // New carbon materials. - 2020. - Vol. 35, is. 5. - P. 576-584. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60511-X
  18. Optimizing mechanical and thermal expansion properties of carbon/carbon composites by controlling textures / T. Wang [et al.] // Current applied physics. - 2020. - Vol. 20, is. 10. - P. 1171-1175. doi: 10.1016/j.cap.2020.08.002
  19. Granoff B., Pierson H.O., Schuster D.M. The effect of chemical-vapor-deposition conditions on the properties of Carbon-Carbon composites // Carbon. - 1973. - Vol. 11, is. 3. - P. 177-180. doi: 10.1016/0008-6223(73)90019-5
  20. Yu S.Q., Zhang W.G. Effect of heat-treatment temperature on mechanical propertiesof pyrocarbon and carbon/carbon composites // Journal of inorganic materials. - 2010. - Vol. 25. - P. 315-320. doi: 10.3724/SP.J.1077.2010.00315
  21. Guellali M., Oberacker R., Hoffmann M.J. Influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of CVI-CFC composites with medium and highly textured pyrocarbon matrices // Composites Science and Technology. - 2008. - Vol. 68, is. 5. - P. 1115-1121. doi: 10.1016/j.compscitech.2007.07.013
  22. Бушуев В.М., Мусин Р.К., Синани И.Л. Закономерности пироуплотнения тканопрошивных углеродных каркасов в термоградиентном режиме для изготовления герметичных конструкций // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 1. - С. 125-130
  23. Определение характеристик пироуглеродной матрицы в углерод-углеродных композиционных материалах / М.В. Папкова [и др.] // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2021. - № 5. - С. 44-49. doi: 10.6060/ivkkt.20216405.6352
  24. J.D. Buckley, D.D. Edie. Carbon-carbon materials and composites. - New Jersey, USA: Noyes Publications, 1993. - 281 p.
  25. Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин [и др.]. - М.: Наука, 1996. - 236 с.
  26. Honjo K. Fracture toughness of PAN-based Carbon fibers estimated from strength-mirror size relation // Carbon. - 2003. - Vol. 41, is. 5. - P. 979-984. doi: 10.1016/S0008-6223(02)00444-X
  27. Song Y.S., Qi L.H., Li Y.X. Prediction of elastic properties of pyrolytic carbon based on orientation angle // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2017. - Vol. 213. doi: 10.1088/1757-899X/213/1/012030
  28. Piat R., Schnack E. Identification of Coefficients of Thermal Expansion of Pyrolytic Carbon with Different Texture Degrees // Key Engineering Materials. - 2003. - Vol. 251-252. - P. 333-338. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.251-252.333
  29. Thermal expansion of pyrolytic carbon with various textures / W. Zhang [et al.] // ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics. - 2013. - Vol. 93, is. 5. - P. 338-345. doi: 10.1002/zamm.201100132
  30. Entwisle F. Thermal expansion of pyrolytic graphite // Physics Letters. - 1962. - Vol. 2, is. 5. - P. 236-238. doi: 10.1016/0031-9163(62)90243-3
  31. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетерс Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. - Рига: Зинатне, 1980. - 572 с.

Statistics

Views

Abstract - 197

PDF (Russian) - 119

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Magnitskaya M.V., Magnitsky I.V., Tashchilov S.V., Tsvetkov D.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies