Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

УДК 53:661.666

ТЕПЛОФИЗИКА И СТРУКТУРА ЯЧЕИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.Г. Щурик, В.Ю. Чунаев, Е.А. Чечулина

ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов», Пермь, Россия

e-mail: uniikm@yandex.ru

Показана стойкость к окислению на воздухе высокопористого ячеистого углеродного материала (ВПЯУМ). Измерена теплопроводность ВПЯУМ разной плотности при комнатной температуре методом стационарного теплового потока. Изучено изменение структурных параметров ВПЯУМ при нагреве. Были определены средние значения межплоскостного расстояния (d002) ВПЯУМ и образцов пироуглерода после термообработки от 950 до 1050 °С и их измененные значения после нагрева до 1750–1850 °С. При измерении относительного удлинения и ТКЛР образцов ВПЯУМ в интервале температур 700– 2300 °С было установлено, что величины линейного расширения при первом и повторном нагреве имеют разные значения.

Ключевые слова: материал, окисление, структура, углерод, температура, расширение.

Высокопористые углеродные материалы, получаемые традиционными методами вспенивания при формовании или посредством использования в технологии их производства выгорающих добавок, находят применение в качестве теплоизоляции в разнообразных промышленных процессах химической технологии [1, 2]. Ячеистый углерод, дублирующий структуру полимера и обладающий величиной открытой пористости до 98 % и более, имеет в этом отношении определенные преимущества перед упомянутыми высокопористыми материалами [3].

Свойства высокопористого ячеистого углеродного материала (ВПЯУМ) зависят от его объемной плотности и обусловлены

111

в значительной мере свойствами пиролитического углерода, являющегося одним из основных компонентов таких материалов. В составе этих материалов присутствует кокс связующего, углерод иной структуры и пироуглерод (от 40 до 90 мас. %), осажденный при нагреве до 950–1050 С. Экспериментальное изучение стойкости к окислению на воздухе ряда углеродных материалов показало, что уже при 300 °С такие углеродные ткани, как УТ-900

иУрал ТМ/4 теряют за 77 ч выдержки до 6 % массы, а за первые сутки при 400 С теряют уже свыше 60 % своей массы. ВПЯУМ с пористостью от 75 до 92 % за 217 ч при 400 С теряют соответственно от 2 до 8 %, а графит терморасширенный в этих же условиях теряет 6 % массы [4].

Измерения коэффициента теплопроводности ВПЯУМ при комнатной температуре выполнены методом стационарного теплового потока в соответствии с ГОСТ 7076–99 с помощью прибора ИТС-1. Измерения, выполненные на пластинах толщиной 20 мм, представлены на рисунке, где для сравнения показаны значения для отечественных материалов Войлокарб и Русcкарб

иопытных пластин (Я-В-Я), состоящих из ВПЯУМ и Войлокарб.

Рис. Зависимость теплопроводности от объема плотности

112

Всравнении с волокнистой (мягкой) углеродной теплоизоляцией трехмерная структура ВПЯУМ обусловливает большую жесткость и изотропность свойств этих пористых материалов. Тенденция увеличения теплопроводности с ростом температуры наблюдается для разных легковесных углеродных материалов. Принимая известное семикратное увеличение коэффициента теплопроводности этих материалов при нагреве до 1500 °С,

можно ожидать его значение при таком нагреве для теплоизоляции из ВПЯУМ плотностью ниже 0,1 г/см3 на уровне 0,6 Вт/м·К.

Висследованиях были определены средние значения меж-

плоскостного расстояния ячеистого углерода (d002), а также образцов пироуглерода. У образцов ВПЯУМ и пироуглерода, полученных при уплотнении их пироуглеродом в диапазоне тем-

ператур от 950 до 1050 С, они находятся в диапазоне от 3,49 до 3,53 Ǻ. После проведения высокотемпературной обработки ВПЯУМ при Т = 1750…1850 С межплоскостные расстояния составляют 3,38–3,43 Ǻ, в зависимости от максимальной температуры термообработки.

При изучении температурных зависимостей относительного удлинения и ТКЛР образцов ячеистого углерода в интервале температур 700–2300 С было обнаружено, что величина линейного расширения при первом и повторном нагреве имеет разные значения.

Линейное расширение образцов ВПЯУМ (y, К–1) в интервале температур нагрева от 700 до 2300 С было аппроксимировано при первом и повторном нагреве следующими зависимостями.

ВПЯУМ плотностью 0,102 г/см3, в первый нагрев: y = = 10–15·x3 – 4·10–12·x2 + 4·10–9·x + 4,62·10–7; R = 0,987, во второй нагрев: y = 7·10–10·x + 2,074·10–6; R = 0,987.

ВПЯУМ плотностью 0,540 г/см3, в первый нагрев: y =

=10–12·x2 – 1,6·10–9·x + 3,55·10–6; R = 0,980, во второй нагрев: y =

=9·10–10·x + 2,177·10–6; R = 0,980.

Вэтих формулах x – температура, С; R – величина достоверности аппроксимации.

113

Линейное расширение образцов ВПЯУМ разной плотности и состава при температуре 2000 С при первом нагреве состав-

ляет (3,9–5,2)·10–6 К–1, при повторном нагреве (2,7–4,0)·10–6 К–1.

Приведенные здесь результаты измеренных значений линейного расширения ВПЯУМ с плотностью 0,102 г/см3 при повторном нагреве совпадают с аналогичными ранними измерениями ВПЯУМ такой же плотности [3].

В ходе этих измерений было зафиксировано остаточное удлинение образцов. Оно наблюдается только после первого нагрева до температур, превышающих температуру начала структурной перестройки коксо-пироуглеродных компонентов ВПЯУМ. Для образцов ячеистого углерода с различной плотностью остаточное удлинение имеет близкие значения в интервале от 0,45 до 0,65 % [5] после первого нагрева до 2000–2300 С. Аналогичные результаты появления остаточного удлинения после нагрева до температур 1850 С показали углеродные нити марки УКН-5000 на основе полиакрилонитрила [6], удлинение которых составило 0,5 %.

Библиографический список

1.Кобыхно И.А., Асташкина О.В., Перминов Я.О. Углеродуглеродные газонаполненные композиционные материалы для теплоизоляции // Композитный мир. – 2015. – № 3. – С. 38–41.

2.Теплоизоляционный углеродный материал и способ его получения: пат. 1788684 Рос. Федерация / В.И. Костиков, А.Н. Селезнев, Н.М. Черненко, Н.В. Спиридонов, П.В. Колчин,

Н.Н. Дергунов, А.А. Замула. Рег. № 4836393/05; заявл. 27.06.90; опубл. 20.09.96. Бюл. № 26.

3.Высокопористый ячеистый углерод и его применение / А.Г. Щурик, Ф.И. Кислых, В.Ю. Чунаев, Г.И. Штраубе // Техни-

ка машиностроения. – 2001. № 5. С. 76 77.

4. Щурик А.Г., Чунаев В.Ю., Пуков П.В. Окисление углеродных материалов и покрытия на углеродных волокнах //

114

Вестник Пермского государственного технического университета. Аэрокосмическая техника. – 2006. – № 25. – С. 135–140.

5.Щурик А.Г., Чечулина Е.А., Вахрамеев А.В. Влияние нагрева на структуру пироуглеродной матрицы // Химия и технология полимерных и композиционных материалов. – М.: ИМЕТ РАН, 2012. – С. 329.

6.Чунаев В.Ю., Никитин В.В., Кайсина Т.В. Сравнительная оценка линейных термических изменений и остаточного удлинения образцов из карбонизованного углепластика и углеродуглеродного композиционного материала // Перспективные ма-

териалы. – Март, 2008. С. 92 95.

115

УДК 621.002.3-419; 620.22-419; 55.09.43

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ОРТОТРОПНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

К.А. Житникова, Ю.В. Баяндин, О.Б. Наймарк

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН, Пермь, Россия

e-mail: zhitnikova_ks@mail.ru

Рассматривается математическое моделирование механических и прочностных свойств ортотропного композиционного материала. Анизотропия композиционного материала вызвана способом его изготовления, оси ортотропии совпадают с характерными направлениями укладки волокон. Целью исследования является разработка математической модели деформирования и разрушения анизотропных материалов в условиях динамического нагружения. Разработанная математическая модель была адаптирована к конечно-элементному комплексу прикладных программ, что позволяет проводить численное моделирование на основе оригинальных определяющих соотношений ортотропной среды с учетом накопления поврежденности.

Ключевые слова: упругий ортотропный материал, поврежденность, квазихрупкое разрушение.

Композиционные материалы обеспечивают достаточно высокие характеристики прочности и надежности, при снижении веса конструкции, в достаточно широком диапазоне интенсивностей нагружения. В общем случае композиционные материалы представляют собой сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, которые можно разделить на армирующие элементы (наполнитель), обеспечивающие нужные механические свойства материала, и на матрицу (связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов [1]. Данные материалы применяютсявомногихобластяхпромышленности[2, 3].

116

Целью исследования является разработка математической модели деформирования и разрушения ортотропных материалов в условиях динамического нагружения, которое возникает при ударном воздействии на ответственные элементы конструкций. Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач. Во-первых, необходимо экспериментальное и теоретическое исследования поведения композиционных материалов. Во-вторых, развитие новых моделей поведения композитов в различных условиях. В-третьих, численное моделирование деформирования и разрушения анизотропных композиционных материалов. Численное моделирование планируется проводить на основе разработанной в лаборатории физических основ прочности ИМСС УрО РАН статистической модели твердого деформируемого тела с мезоскопическими дефектами [4, 5]. Кроме того, при разработке математической модели будет необходима идентификация параметров модели, которую планируется проводить по данным квазистатических и динамических натурных испытаний.

На данный момент была разработана математическая модель, описывающая деформационное поведение ортотропного композиционного материала. Она включает в себя линейный закон упругости (1), в котором p – деформация, обусловленная поврежденно-

стью материала, определяющее соотношение (2), связывающее тензор напряжений и тензор поврежденности, уравнение неразрывности (3) и уравнение движения (4). Таким образом, полная система уравнений, описывающая поведение композиционного материаласповрежденностью, имеет следующийвид:

117

Данная математическая постановка замыкается начальными и граничными условиями для кинематических и силовых переменных.

Принимается гипотеза, что композиционный материал имеет ортотропную симметрию, а оси ортотропии совпадают с лабораторной системой координат. Данное предположение основано на способе изготовления композиционных материалов, исследуемых в работе. Эта гипотеза позволяет рассматривать тензор неупругих деформаций, отвечающий за поврежденность, в главных осях, анализируя при этом только три диагональные компоненты тензора p , отвечающие за механизмы разрушения,

связанные с нормальным отрывом (разрыв волокон, деламинация и т.д.).

Данная постановка (1)–(4) допускает различные варианты зависимостей тензора поврежденности от напряжений за счет

материала и связанной с поврежденностью. В данной работе

i 1, 2, 3, где iс , piс – критические напряжения и деформации,

определяемые по диаграммам деформирования в каждом направлении, которые соответствуют максимальным достигаемым

пользованием экспериментальных зависимостей напряжения от неупругой деформации, обусловленной поврежденностью, в каждом из направлений ортотропии рассматриваемого материала.

Полученная система разрешающих уравнений была внедрена в конечно-элементный комплекс прикладных программ Abaqus с использованием пользовательской функции VUMAT,

118

написанной на языке FORTRAN, что позволяет конкретизировать свойства материала в рамках изложенной постановки.

Был проведен численный расчет и получена характерная диаграмма деформирования материала в одном из направлений укладки волокон, которая представлена на рисунке.

Рис. Зависимость напряжений от поврежденности

Разработанная математическая модель позволяет проводить численное моделирование деформирования изделий, изготовленных из композиционных материалов, на основе оригинальных определяющих соотношений анизотропной (ортотропной) среды с учетом накопления поврежденности. Это позволяет учесть механизмызарожденияинакопленияповреждений вматериале.

Работа выполнена при поддержке СколТеха (проект

MRA-319).

Библиографический список

1. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения: курс лекций. – СПб.: ЦОП Профессия, 2012. – 552 с.

119

2.Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии: учеб. пособие / М.Л. Кербер [и др.]. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с.

3.Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.

4.Структурно-скейлинговые переходы и некоторые термодинамические и кинетические эффекты в материалах в объемном субмикро – (нано-) кристаллическом состоянии / О.Б. Наймарк, Ю.В. Баяндин, В.А. Леонтьев, И.А. Пантелеев, О.А. Плехов // Физическая мезомеханика. – 2009. – Т. 12, № 4.

5.Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов

инекоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2003. – Т. 6, № 4. – С. 45–72.

120