книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

Волокна AU, которые были изготовлены при самой низкой температуре, обладают высокой прочностью сцепления с мат­ рицей и без поверхностной обработки, поскольку низкая темпе­ ратура переработки сохраняет высокую поверхностную активность волокон.

В табл. 4.10 приведены свойства однонаправленных углеплас­ тиков (см. табл. 4.9) после переработки в композиты класса углерод-углерод указанным выше способом. Различие в свойствах композитов с обработанными и необработанными волокнами очень резкое. Превращение фенольной матрицы в углерод уменьшило способность поверхности раздела к торможению трещин и существенно уменьшило прочность и трещиностойкость. Подобную тенденцию можно ожидать и у многонаправленных углерод-углеродных композитов.

Пек, будучи термопластичным, остается жидким и не образу­ ет связей с поверхностью волокон до образования кокса. В этом случае можно ожидать, что взаимодействие с активной поверхно­ стью углеродных волокон будет иное, чем у термореактивных смол. Некоторые данные приведены в работе [100], где сопостав­ лены два исходных материала для однонаправленных углерод-уг- леродных композитов—фенольной смолы и нефтяного пека. В этом эксперименте арматурой служили волокна из полиак­ рилонитрила, обработанные при низкой температуре (1000 °С).

фенольной смолой, обработанный при температуре 14 000 °С, показал прочность при растяжении 1,5 ГПа. При дальнейшей термообработке до 2500 °С прочность уменьшилась до 615 МПа и тенденция к торможению трещин у поверхности раздела стала слабо выраженной. У композита из нефтяного пека после термообработки при температуре 2500 °С была получена проч­ ность при растяжении 970 МПа и по поверхности раздела наблюдались отслоения.

Как видно, существует очень сложная взаимосвязь между свойствами поверхности волокон, матрицы и температурной обработкой углерод-углеродных композитов. Высокоактивные по­ верхности волокон, образующиеся при низкой температуре изго­ товления или в результате специальной обработки, могут ока­ заться нежелательными.

В работе [100] проведено исследование механических свойств однонаправленных УУКМ на разных стадиях процесса получения материала. В табл. 4.11 приведены результаты экспериментов для композитов, армированных волокнами «Торнел-75» (материал А) и «Торнел-400» (материал В). В качестве материала для исходной матрицы использовалась фенолформальдегидная смола. Анализ полученных результатов показывает, что наблюдается уменьшение прочности и модулей упругости в продольном направлении при карбонизации композитных материалов, ар­ мированных волокнами «Торнел-400». Обнаружено, что при разрушении обычно имеет место вытягивание волокон. При

Усредненные механические характеристики углеродных композитов на разных стадиях процесса обработки [100]

направлениях. И хотя данная структура не повышает существен­ но сдвиговую прочность, но позволяет создавать более пред­ почтительные с точки зрения эрозии профили по сравнению с используемыми 2D структурами. Создание композитов с 3D структурой осуществляется либо на основе каркасов с трехмер­ ным ортогональным армированием, либо с использованием тканей (структура 2D) в плоскости XY, с последующим армированием в направлении Z. В табл. 4.14 приведены характеристики тканей, используемых для изготовления УУКМ с 3D структурой. В табл. 4.15 приведены данные по армирующим каркасам из проколотых структур, изготовленных из тканей, перечисленных в табл. 4.14. Армирующие элементы в направлении Z состояли каждый из десяти высокомодульных графитовых нитей при шаге между

центрами нитей 2,54-10~3 м.

Сопоставление характеристик тканей, армирующих плоскость XY [55]

на 45*

В табл. 4.16 сопоставлены свойства 3D ортогонального тканого блока и блока из проколотой ткани. Обе заготовки были изготовлены из высокомодульной графитовой нити одной и той же марки. Обнаруживается заметное различие структур по объемному содержанию и распределению волокон. Блок из проколотой ткани имеет более высокое общее объемное содер­ жание волокон и плотность.

•Слои ткани последовательно повернуты на 45°. •♦Высокопрочная 8-ремизная ткань.

Значения характеристик УУКМ, с армированием по трем ортогональным направлениям для различных способов получения композита приведены в табл. 4.18. Армирующий каркас ма­ териала I получен из проколотой низкомодульной графитовой ткани WCA в плоскости X, Y и высокомодульных нитей Торнел-50 в направлении Z. Каркас пропитывался и уплотнялся фенольной смолой под высоким давлением с последующей карбонизацией и графитацией. Материал II получен ком­ бинированным способом: химическим осаждением углерода и пропиткой смолой. Каркас получен из углеволокон на основе полиакрилнитрила. Шаг между центрами пучков волокон состав­

лял 2,0* 10—3 м во всех трех направлениях.

Для материала III бралась заготовка для каркаса плотностью 750 кг/м3 с ортогональной структурой 2:2:6; в направлениях X и

направлениям и для различных видов напряженно-деформиро­ ванного состояния.

Поскольку УУКМ работают при повышенных температурах, важно изучать теплофизические свойства композитов. Кроме

Рис. 4.12. Зависимости напряжение—деформация (а-е) УУКМ со структурой 3D для двух образцов из одной партии

того, данные характеристики важны для отработки оптимального процесса изготовления углерод-углеродных материалов. В табл. 4.19 приведены теплофизические характеристики углеродных композитов различной структуры.

Т а б л и ц а 4.19 Теплофизическне характеристики углерод-углеродиых материалов

*Однонаправленный композит, поперечное расширение.

Взаключение данного подраздела отметим, что углерод-угле- родные композиты обладают существенной анизотропией свойств [5, 65]. Повышение изотропности материала осуществляют путем увеличения числа направлений армирования. При этом упругие

Рис. 4.15. Диаграмма анизотропии модуля сдвига и коэффициента Пуассона материалов структуры SD (штриховые линии) и 3D для значений у 0,05 (1)\

0,10 (2); 0,20 (J )

характеристики УУКМ в направлениях армирования уменьшают­ ся (из-за снижения коэффициента армирования), а сдвиговые— возрастают (низкая сдвиговая прочность композитов 3D структу­ ры является их главным недостатком). На рис. 4.15 приведены результаты экспериментов на сдвиг образцов, вырезанных под разными углами из композитной пластины, полученных газофаз­ ным способом [2 0 ].