книги / Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций

4.4.Свойства УУКМ при высокой температуре

Основной функциональной задачей углерод-углеродных ма­ териалов является сохранение их работоспособности при высоких и сверхвысоких температурах (до 3000 °С), при которых тра­ диционные конструкционные стали и сплавы полностью теряют прочность. В связи с этим несомненный интерес вызывает исследование зависимости физико-механических свойств УУКМ от температуры.

Жаропрочные свойства углеродных композитов определяются поведением углеволокна и углеродной матрицы при высоких температурах. На рис. 4.16 приведены результаты экспериментов

ЕуГПа.

3 0 0

ZOO

700

Рис. 4.16. Зависимость модуля упругости Е и прочности а%угольных волокон от температуры

причем диаграммы деформирования носили линейно-упругий характер. Заметная пластичность появлялась только при темпера­ туре испытания 2000 °С. После разрыва образцы волокна, как правило, рассыпались независимо от температуры испытания. Из анализа полученных результатов следует, что максимум проч­

комнатной температуре примерно в 1,3 раза. Модуль упругости незначительно уменьшается с ростом температуры испытаний до 1500 “С. При дальнейшем повышении температуры до 2000 °С наблюдается значительное снижение среднего значения модуля упругости, почти в 1,5 раза, что связано с дополнительной карбонизацией волокна.

dooz№n

нагрева)

В табл. 4.20 приведены значения параметров dQQ2 двух типов

УУКМ (относительное объемное содержание волокна в них 0,17—0,60) и их наполнителей—углеродных волокон и ПУ матрицы при 298 и 2073 К. Анализ данных таблицы показывает, что независимо от температуры параметр dW2 УУКМ равен

параметру d ^ 2 пироуглерода его матрицы.

и при нагреве до 2073 К с последующим охлпждением для

Рис. 4.23. Зависимость прочности при сжатии от температуры испытаний

[100]. Длина ребра ячейки каркаса в направлении Z составляет 7,5-10“ 4 м. Матрица—пироуглеродная. Аналогичные кривые при­

ведены на рис. 4.23 в случае сжатия материала.

Как показали исследования, коэффициент линейного рас­ ширения а возрастает, а теплопроводность падает с увеличением

этом кривые 1 получены для материалов с низкомодульными волокнами, а кривые 2—с высокомодульными. Увеличение а при повышении температуры связано, по-видимому, с возрастанием подвижности волокон (каркаса).

4.5.Разрушение углерод-углеродных материалов

Разрушение УУКМ является многостадийным процессом, про­ текающим на разных структурных уровнях и зависящим от многих факторов: технологии изготовления, структуры композита, характера действующих нагрузок и т.д. В табл. 4.22 приведены результаты экспериментов по изгибу образцов из углеродных композитов при различной последующей технологии обработки. Видно, что растрескивание матрицы происходит при деформациях е > 0,2 %. Однако предельная продольная деформация при изгибе составляет 1,56 % для высокопрочных волокон и 1 % для высокомодульных волокон. Кроме того, углеродным композитам присущ более существенный разброс физико-механических харак­ теристик по сравнению с углепластиками, что объясняется сложностью строения матрицы и наличием большого числа разнообразных дефектов.

интенсивное растрескивание углеродной матрицы и предельные деформации

Разрушение для графитированных УУКМ с высокой плотно­ стью (р ~ 2000 кг/м3) при обычных температурах носит явно выраженный хрупкий характер, что объясняется малым числом пор и хорошей адгезией. Для плохоуплотненных углеродных композитов (особенно материалов с пироуглеродной матрицей) разрушение представляет сложный многоуровневый процесс. На участке линейного деформирования материала (см. рис. 4.12) происходит дисперсное растрескивание (под действием сдвиговых напряжений) углеродной матрицы и единичные разрывы волокон. Локализация повреждений после разрыва рядом стоящих волокон

Рис. 4.28. Зависимости KR от величины приращения трещины для различных схем

надреза при различных значениях отношения alW

углепластиков на основе полифенольной смолы. Весовое содер­

(80x10x6 мм) с надрезами на его наружной (образец типа А) и боковой (образец типа В) сторонах. Анализ полученных резуль­ татов (рис. 4.28) показал, что некоторый приведенный ко­ эффициент интенсивности KR существенно зависит от направ­

ления надреза (а—длина надреза (начальной трещины) от грани прямоугольного образца; W—ширина стороны образца, на кото­ рой находится надрез).

На рис. 4.29 представлены результаты расчета /-интеграла. При этом кривая 1 соответствует схеме надреза рис. 4.28,6, а кривая 2—схеме на рис. 4.28,а.