ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПИРОУГЛЕРОДНОЙ МАТРИЦЫ

Аннотация


Пиролитическое уплотнение пористых подложек является одним из методов получе-ния углерод-углеродных композиционных материалов. При использовании таких материа-лов в условиях высоких температур, например в качестве элементов нагревателей, необ-ходимо учитывать влияние высоких температур на их механические характеристики. В данной работе было исследовано влияние высокотемпературной обработки на механиче-ские характеристики и рассмотрен механизм разрушения образцов материала «Арголон ГР» производства АО «Композит». Показано, что при увеличении температуры обработки с 1800 до 2400 °С происходит возрастание открытой пористости образцов пропорционально увеличению количества и размера трещин в образцах. Разрушающее напряжение при сжатии зависит от температуры весьма слабо, однако на графике соответствующей зави-симости отчетливо видно некоторое его снижение при повышении температуры обработки с 2000 до 2400 °С, что соответствует накоплению в матрице материала повреждений, снижающих его прочность. Обращает на себя внимание существенное возрастание пре-дела прочности материала при растяжении после проведения высокотемпературной обра-ботки, что нетипично для углерод-углеродных композиционных материалов. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении с возрастанием температуры обработки для образцов материала имеет выраженный максимум при 2000 °С. Проведенный анализ из-менения ударной вязкости, параметра шероховатости поверхности разрушения образцов и разрушающего напряжения при растяжении показал, что доминирующим механизмом при разрушении является механизм возрастания прочности, связанный с нарушением условия совместности деформаций в компонентах материала, влияние же релаксации термонапряжений весьма мало.

Полный текст

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.

Об авторах

М. В. Магнитская

Акционерное общество «Композит»

И. В. Магнитский

Акционерное общество «Композит»

С. В. Тащилов

Акционерное общество «Композит»

Д. А. Цветков

Акционерное общество «Композит»

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 247

PDF (Russian) - 143

Cited-By


PlumX


© Магнитская М.В., Магнитский И.В., Тащилов С.В., Цветков Д.А., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах