Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании

Рассмотрены результаты экспериментального исследования теплового деформирования карбонизированных углепластиков, используемых в качестве тепловой защиты летательных аппаратов многоразового действия. Показано, что при термоциклировании слоистых, хаотически и пространственно армированных углерод-углер...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Проблемы прочности
Datum:	2007
1. Verfasser:	Грачева, Л.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2007
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48059
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании / Л.И. Грачева // Проблемы прочности. — 2007. — № 3. — С. 118-133. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859607662941962240
author	Грачева, Л.И.
author_facet	Грачева, Л.И.
citation_txt	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании / Л.И. Грачева // Проблемы прочности. — 2007. — № 3. — С. 118-133. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы прочности
description	Рассмотрены результаты экспериментального исследования теплового деформирования карбонизированных углепластиков, используемых в качестве тепловой защиты летательных аппаратов многоразового действия. Показано, что при термоциклировании слоистых, хаотически и пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов до определенного цикла нагрева (четыре-пять) значения теплового расширения увеличиваются независимо от газовой среды испытания. При росте числа термоциклов начинается постепенное уменьшение тепловой деформации материалов, связанное со структурными изменениями в матрице, волокне и на границах раздела сред композита. Розглянуто результати експериментального дослідження теплового деформування карбонізованих вуглепластиків, що використовуються як тепловий захист літальних апаратів багаторазової дії. Показано, що при термоциклюванні шаруватих, хаотично та просторово армованих вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів до визначеного циклу нагріву (чотири-пять) значення теплового розширення незалежно від газового середовища випробування зростають. При збільшенні числа термоциклів починають поступово зменшуватися значення теплової деформації матеріалів, що пов’язано зі структурними змінами в матриці, волокні та на межі розподілу середовищ композита. We discuss the results of experimental study of thermal deformation of carbonated coal-plastics, used for thermal protection of aircrafts. It is shown that thermal cycling of laminated, random- and spatially reinforced carbon-carbon composites up to a certain number (four or five) of heating cycles results in the increase of the thermal expansion parameters, irrespective of the particular gaseous environment. Increasing number of thermal cycles results in gradual reduction of thermal deformation of materials, which is related to structural changes in the matrix, fibers and the composite interface boundaries.
first_indexed	2025-11-28T06:32:56Z
format	Article
fulltext	УДК 539.377.539.4 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термо- циклировании Л . И . Г р ач ев а Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина Рассмотрены результаты экспериментального исследования теплового деформирования карбонизированных углепластиков, используемых в качестве тепловой защиты летательных аппаратов многоразового действия. Показано, что при термоциклировании слоистых, хао тически и пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов до определенного цикла нагрева (четыре-пять) значения теплового расширения увеличива ются независимо от газовой среды испытания. При росте числа термоциклов начинается постепенное уменьшение тепловой деформации материалов, связанное со структурными изменениями в матрице, волокне и на границах раздела сред композита. К л ю ч е в ы е с л о в а : композиционный материал, углеродное волокно, карбонизи рованная матрица, температура, циклический нагрев, тепловые деформации. Введение. Благодаря высокой удельной прочности и экономичности композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, широ ко применяются в качестве конструкционных в авиастроении. Детали фюзе ляжа и основных крыльев, хвостовое оперение, обшивки элементов конст рукций, лопасти несущего винта, рули направления в отечественных транс портных самолетах предыдущего поколения составляли 53% общей массы конструкционных материалов [1], в американских истребителях типа ADCA (Advansed Design Composite Aircraft) - до 69% [2]. Композиты на основе углеродных волокон эффективно применяются также в космической технике. Предполагается, что количество углеродных волокон, используемых в этой области в США, составляет не менее 10% объема их производства [3]. Замена металлических (алюминиевых) деталей и узлов аэрокосмических аппаратов углепластиковыми позволяет снизить массу конструкций на 15...25% [4], что, в свою очередь, например, в само летах приводит к так называемому каскадному эффекту. При практически одинаковой стоимости их изготовления расходы в процессе эксплуатации падают - уменьшение массы самолетов приводит к снижению массы двига теля, топлива при сохранении тех же летных характеристик [5]. В 2005 г. начались испытания натурных элементов конструкций амери канского самолета “Боинг-787”, которые выполнены из углепластика. Испы тания на прочность (растяжение, сжатие, изгиб) натурных углепластиковых панелей фюзеляжа осущ ествляли в аэродинамических трубах ЦАГИ (г. Жу ковский, Россия). Предполагается, что замена металла композитом позволит уменьшить вес и первоначальную стоимость этого авиагиганта на 20%. Карбонизированные углепластики, или так называемые углерод-угле-3 родные материалы благодаря малой плотности (у = 1 ,3 г/см ), возможности сохранения механических свойств до температур порядка 3000°С, высокой © Л. И. ГРАЧЕВА, 2007 118 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов температуре сублимации (3600° С) являются уникальным конструкционным и теплозащитным материалом, работающим при температурах до 3000° С и выше. Исследование линейного термического расширения углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) представляет большой научный и практический интерес, обусловленный прежде всего необходимостью оцен ки конструкционных возможностей материалов, эксплуатируемых в жестких температурных условиях. Необходимость учета возможных значений тепло вых деформаций композиционных материалов (КМ) и сочетания их с вели чинами линейного теплового расширения металлов существенно возрастает при многократных температурных воздействиях. Характер теплового деформирования углеродных композиций связан с такими особенностями их структуры, как отсутствие трехмерной упорядо ченности в карбонизированной матрице, наличие внутренних напряжений, возникающих в материале главным образом при изготовлении [6, 7], система перекрестных связей, образующаяся при спекании, многофазность и усло вия взаимодействия входящих в нее компонентов [8]. Углеродные волокна, полученные графитизированием полиакрилнит- рильных (ПАН) волокон, представляют собой самоармированную систему, состоящую из “хребтовых” (длинных) кристаллов и поперечников той же природы [9]. Химическое родство компонентов углеродного волокна обеспе чивает такое качество адгезионного взаимодействия, что оно может рассмат риваться как идеальное для достижения комплекса физико-механических свойств. Способ укладки армирующего наполнителя является одним из эффек тивных методов управления свойствами композита. Стремление снизить анизотропию теплофизических свойств приводит в случае объемно-армиро ванных УУКМ к увеличению количества направлений армирования: 4Б , 5Б, 7 Б ... . В работе [10] предпринята попытка теоретической оценки коэффици ентов термического расширения а (КТР) пространственно-армированного композита структуры п Б , где п - количество направлений армирования. Расчет КТР выполнен по схеме однонаправленных структурных элементов, пространственно-армированных в представительном объеме. Коэффициент термического расширения трехмерно-армированного (3Б) УУКМ с куби ческой симметрией и анизотропией упругих свойств определяется как а - а ± + а ця 0 о , і п +1 где п 0 - комбинированный параметр, характеризующий анизотропию упру гих свойств структурного элемента, п о _ 1 - у 2з + 2у°2 Е о 2(1 + у 0і) Е 0 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 119 Л. И. Грачева индексы 1, 2, 3 обозначают грани единичного куба; V - коэффициент поперечной деформации; Е - модуль упругости. Предложенная модель, по мнению авторов [10], не учитывает точности перехода к приведенной сплошной среде, что вызывает существенные по греш ности и большие расхождения с экспериментом. Кроме того, не пред ставляется возможным оценить теоретически степень реализации упругих свойств углеродного волокна в композите вследствие нарушения адгезион ной связи на границе раздела волокно-связующ ее. Увеличение размеров углепластиков при нагреве может быть обусловлено релаксацией напряже ний, аккумулированных в армирующем пакете в процессе изготовления [6]. При давлении прессования, например, в 25 кг/см 2 максимальная деформация с учетом сопротивления матрицы, по данным авторов [11], составляет при близительно 10%. Не поддается расчету также повышение жесткости угле родного волокна вследствие его науглероживания при повторных нагревах. Данные о соответствии экспериментально полученных свойств разра ботанных УУКМ при нагреве до 1000°С и выше с их теоретической оценкой в литературных источниках практически отсутствуют. Цель настоящей рабо ты заключалась в экспериментальном исследовании характеристик термичес кого расширения (усадки) УУКМ в зависимости от способа укладки угле родных волокон в композите: хаотически армированных; слоистых с тканым наполнителем и пространственно-армированных при термоциклировании в интервале температур 20...1000°С. М етоды эксп ери м ен тальн ого исследования. Разработанные в Инсти туте проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины установки позволяют исследовать температурные деформации неметаллических ком позиционных деструктирующих и углеродных материалов в интервале тем ператур 20...2200°С. С их помощью можно исследовать влияние на процесс деформирования скорости нагрева, химического состава и давления газовой среды, а также других факторов, моделирующих реальные условия работы конструкционных элементов. Определение величин теплового деформирования УУКМ с различной структурой при термоциклировании проводили на дилатометрической уста новке ДТМ, которая позволяет исследовать деформативные свойства образ цов из теплозащитных материалов в условиях равномерного и односторон него нагрева при различных давлениях газовой среды и скорости нагрева в интервале 1...700 град/мин. В качестве рабочей среды использовали аргон или воздух [12]. Установка ДТМ состоит из высокотемпературной печи, системы нагрева образца, регулирования и измерения его температуры, бес контактной системы измерения тепловых деформаций образца, системы создания и измерения давления газа внутри печи или ее продувки инертным газом, а также системы охлаждения деталей печи [13]. Базой измерения деформаций является расстояние 10 между двумя реперами специальной формы [14] (рис. 1). Деформация образца при нагреве измеряется автоматически специально разработанной двухканальной опти ческой следящей системой 0С С -50-1300 [13, 15], реализующей метод непре рывного фотослежения за реперами, внедренными в образец. С выходов обоих измерительных каналов постоянные напряжения, соответствующие смещениям меток, подаются на интегратор, где алгебраически складываются. 120 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов 60 А -А 50 б 1 7 Рис. 1. Образец для исследования теплового деформирования композиционных материалов (1 - образец, 2 - реперы) - а и схема его размещения в испытательной камере установки ДТМ (1 - нагреватели, 2 - образец, 3 - реперы, 4 - камера, 5 - иллюминатор, 6 - оптико-электронная система ОСС-50-1300, 7 - осветитель) - б. Вторичные регистрирующие устройства (электронный потенциометр, компьютер) записывают непрерывную кривую изменения величины темпе ратурного расширения (усадки) образца в координатах А/ (перемещение) - Т (температура). Равномерность распределения температуры по длине образцов размера ми 10 X 10 X 60 мм обеспечивалась условиями в нагревательной камере дилато метрической установки. Предварительное термометрирование образцов тка ного углеродного материала показало, что температурной неравномерностью, составляющей 3 ...7 0С при температурах меньше 200°С по сечению образцов и 1...3°С при температурах до 400°С, можно пренебречь. После нагрева до 400° С и выше происходит выравнивание температур по всему сечению образцов. При повторных нагревах неравномерность температур по сечению образцов практически отсутствует, что объясняется, очевидно, ростом теплопроводности карбонизированных углепластиков, свя занным с более глубоким коксованием связующего в материале при неодно кратном нагреве до температуры 1000° С. Дилатометрирование проводили со скоростью нагрева 100 град/мин в нейтральной и окислительной газовых средах в диапазоне температур 20...1000° С. Р езультаты исследований и их обсуждение. В х а о т и ч е с к и а р м и р о ва н ном углерод-углеродном композите короткие высокомодульные углеродные волокна (0,5-1,0 см) расположены беспорядочно, что предопределяет квази изотропию свойств материала. Результаты исследования термического деформирования хаотически армированного (изотропного) углеродного материала при повторных тепло вых нагружениях в нейтральной и окислительной среде приведены на рис. 2. 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 121 Л. И. Грачева Видно, что с увеличением количества циклов нагрев-охлаждение характер кривых не изменяется, происходит только параллельное смещение кривых деформаций в область меньших значений. Усадка материала в начале нагре ва на воздухе при 2- и 3-м циклах нагрева не превышает 0,1%; температура начала усадки материала увеличивается к 3-му циклу нагрева на 100°С по сравнению с таковой при 1-м цикле нагрева [16]. М/1о. % А ///0 % 0,8 з у 0,8 0,6 - > Л а / 0,6 - з / 0,4 0,4 0,2 - / / / 0,2 0 , , 100 300 500 700 900 Т “С ^ 1 0 0 300 500 700 900 Т, °С а б Рис. 2. Зависимость относительного теплового деформирования хаотически армированного углеродного материала от температуры в нейтральной (а) и окислительной (б) среде при увеличении количества циклов нагрева. (Здесь на рис. 3-6, 9, 10 цифры на кривых соответ ствуют номеру цикла нагрева.) Уменьшение значения теплового расширения карбонизированного угле пластика при термоциклировании обусловлено изменением структуры мате риала при нагреве. Трехмерная структура исходного полимера-матрицы должна, по-видимому, способствовать образованию такой же структуры углеродного остатка [17]. Термоокислительные процессы на поверхности и внутри образца приводят к перестройке структуры пиролитического углеро да, тем самым способствуя более плотной упаковке слоев в пакет, что вызы вает смещение кривых теплового деформирования материала в зону усадок. Сравнение результатов многократного дилатометрирования исследуемо го материала в нейтральной и окислительной среде показало, что в первом случае термоциклирование существенно влияет на величину деформаций. Так, если в нейтральной среде значение деформаций от 1-го к 3-му циклу нагрева при температуре 1000°С уменьшилось на 0,25%, то в окислительной среде - всего на 0,08%, т.е. почти в три раза. И так во всем исследованном температурном диапазоне. При термоциклировании хаотически армированных карбонизированных углепластиков наиболее опасным с точки зрения величины тепловых дефор маций является первый нагрев, при дальнейших нагревах абсолютные значе ния расширения и усадок постепенно уменьшаются, сокращается также суммарная амплитуда изменения линейных размеров образцов. На рис. 3,а представлено типичное разрушение слабоконической моде ли теплозащитного покрытия из хаотически армированного УУКМ после первого высокотемпературного нагружения в газовом потоке газодинами ческого стенда [18]. Трещина в оболочке - результат действия растяги вающих тангенциальных напряжений, в свою очередь, являющихся следст- 122 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов вием усадочных деформаций в материале. Распределение температуры вбли зи наружного слоя теплозащитного покрытия из УУКМ и на стыке слоев с теплоизоляцией показано на рис. 3,6. Рис. 3. Типичное разрушение наружного слоя покрытия - а и распределение температуры по толщине наружного слоя (1, 2 - на стыке слоев, 3, 4 - вблизи наружного слоя) - 6. В качестве с л о и с т ы х углеродных материалов исследовали композиты на основе графитизированных фенолформальдегидных смол с наполнителем из углеродной ткани сатинового плетения с соотношением нитей 2:1 (основа и уток). Исследования проводили по направлению основы и утка в плос кости тканого наполнителя. Результаты исследования теплового деформирования слоистого угле родного композита в зависимости от температуры при увеличении количест ва циклов нагрева и охлаждения в нейтральной газовой среде показаны на рис. 4. Как видно, при увеличении количества циклов нагрева образцов в аргоне независимо от направления вырезки происходит параллельное сме щение точек кривых в область меньших значений. Так, для образцов, выре занных в направлении основы, при втором тепловом нагреве кривая дефор маций колеблется около нейтральной оси, причем расширение составляет 0,1%, усадка не превыш ает 0,06% деформаций при первом нагреве. Д ефор мации при следующем цикле нагрева характеризуются отрицательными значениями вплоть до температуры 900° С, колебания суммарных значений (амплитуды) не превышают 0,15%. Данные дилатометрирования, полученные при многократном тепловом нагреве слоистого углеродного материала в направлении утка, также свиде тельствуют об уменьшении расширения образцов по мере увеличения коли чества циклов нагрев-охлаждение. Всплеск деформаций на кривых расширения при температурах 550... ...650°С при первом и третьем тепловых нагревах составляет 0,4%, различие между наибольшими значениями деформаций при Т = 1000° С - более 0,6%. Термоциклирование слоистого углеродного материала при снижении величин тепловых деформаций во всем исследованном температурном диапазоне сокращает амплитуду его наибольших и наименьших значений, стабилизируя деформативные свойства УУКМ. Это также относится к ре зультатам исследования теплового деформирования материала при цикли ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 123 Л. И. Грачева ческом нагреве на воздухе (рис. 5). Влияние окислительной газовой среды приводит к большему, чем в аргоне, смещению кривых в область отри цательных величин деформаций для образцов, вырезанных в направлении основы, а также к увеличению значений температурного интервала усадки в начале нагрева для образцов, вырезанных параллельно утку. Рис. 4. Зависимость относительного теплового деформирования слоистого углеродного мате риала от температуры при увеличении количества циклов нагрева в нейтральной газовой среде: а - в направлении основы ткани; б - в направлении утка. Рис. 5. Зависимость относительного теплового деформирования слоистого углеродного мате риала от температуры при увеличении количества циклов нагрева в окислительной газовой среде: а - в направлении основы ткани; б - в направлении утка. Для сравнения выполнено дилатометрирование в окислительной газо вой среде слоистого углеродного материала (с целью сокращения записи обозначим его УУКМ(с)) с коэффициентом анизотропии наполнителя 1:1. Кокс-связующее в композите насыщался пироуглеродом из парогазовой сре ды при температуре 1200° С. При термоциклировании УУКМ (с) обнаружено, что кривые темпера турного деформирования (ТД) имеют характерную особенность: величины относительного теплового расширения устойчиво увеличиваются до 4-5-го циклов нагрев-охлаждение, а затем также устойчиво начинают уменьшать ся (рис. 6). Из рис. 7,а видно, что значения Д ///о при 10- и 11-м циклах нагрева практически совпадают, например при температуре 700° С - с дан ными 4-го цикла, при температуре 200° С - 2-го цикла. Полиэкстремальный 124 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов характер кривых теплового деформирования УУКМ(с) при повышении коли чества циклов нагрева свидетельствует о сложных процессах, происходящих в композите. Согласно данным [19], уменьшение жесткости композита в результате растрескивания матрицы и, как следствие, ухудшение ее связи с волокнами при термической усталости приводит к увеличению коэффи циентов теплового расширения (1-5-й циклы). М/10, % Рис. 6. Зависимость относительного теплового деформирования слоистого насыщенного пироуглеродом углеродного материала от температуры при увеличении количества циклов нагрева в окислительной газовой среде. А///«, % Д///0, % Рис. 7. Изменение относительного теплового деформирования УУКМ(с) в зависимости от количества циклов нагрева (а) и охлаждения (б) при различных температурах. Очевидно, что резкое уменьшение величин теплового деформирования после 6-7-го термоцикла можно связать с отрицательным коэффициентом теплового расширения углеродных волокон, освобожденных от связи с матрицей, и его влиянием на тепловое расширение материала в целом [20]. Если первый максимум на кривых теплового деформирования обусловлен ШБН 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 125 Л. И. Грачева температурным расширением композита в целом, то второй максимум, ско рее всего, остаточными технологическими напряжениями, возникающими вследствие различия между коэффициентами теплового расширения угле родных волокон и полимерных связующих, причем в матрице эти напря жения оказываются растягивающими [21]. Циклическое воздействие высо ких температур способствует в этом случае реализации свойств матрицы, что приводит к кратковременному тепловому расширению. Дальнейшее уменьшение значений теплового расширения карбонизиро ванных углепластиков при повторных температурных воздействиях обуслов лено изменением структуры материала при нагреве. Упорядочение такой структуры при повторных нагревах должно вызы вать усадку за счет уменьшения объема пор и развития тонкопористой структуры, причем убыль массы при этих превращениях, как показал грави метрический анализ, особенно в нейтральной среде, незначительна [22]. Кривые теплового деформирования (рис. 7,б) получены во второй поло вине термоцикла - при охлаждении композита. Наибольший интерес пред ставляют величины относительного теплового деформирования при темпе ратуре 25°С, т.е. остаточные деформации образца после каждого нагрева. Изменение не только величины, но и знака остаточной деформации мате риала, работающего в пакете теплозащитной конструкции, вызывает необхо димость их учета при проектировании покрытия. Таким образом, увеличение количества циклов нагрев-охлаждение с постоянной скоростью нагрева приводит к уменьшению значений терми ческих деформаций УУКМ с тканым слоистым наполнителем независимо от природы газовой среды испытаний, при этом величина относительных максимальных деформаций в нейтральной среде не превышает 0,3%, в окислительной - 0,1% величины деформаций в предыдущем испытании. Значения остаточных деформаций слоистых углеродных материалов, уплотненных пироуглеродом, при термоциклировании в исследованном тем пературном диапазоне колеблются от —0,1 до +0,5% . Исследования работо способности рабочих панелей тепловой защиты из УУКМ (с) в условиях многократного воздействия высокотемпературного эрозионно-коррозион ного газового потока на газодинамическом стенде [23] показали, что разру шения поверхности чаще всего начинаются на стыках плиток тепловой защиты. Рис. 8 иллюстрирует состояние плоского покрытия из УУКМ (с) до и после 5 циклов нагрева в высокотемпературном газовом потоке. Видно, что между рабочими плитками произошло раскрытие стыковочных швов (выгорание и унос замазки, увеличение зазоров вследствие усадки), но вспучивание, коробление и растрескивание отсутствуют, поскольку при вы боре ширины стыковочных зазоров учитывалось температурное расширение материала, полученное на образцах (рис. 5-7). П ространственные связи в о б ъ е м н о -а р м и р о в а н н ы х композиционных материалах образуются системой трех углеродных нитей в прямоугольной системе координат, волокна при этом взаимно ортогональны в направлении осей армирования Х У 2 . Результаты дилатометрирования трехмерного компо Испытания на газодинамическом стенде проведены Л. Ф. Ставцевой и Г. И. Мельниченко. 126 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов зиционного углеродного материала на основе графитизированной фенол- формальдегндной матрицы резольного типа, уплотненной пироуглеродом из парогазовой среды, представлены на рис. 9 и 10. Температурные дефор мации пространственно-армированных композитов получены в направле ниях, параллельных осям армирования 2 (рис. 9) и X (рис. 10); исследо вания выполнены в нейтральной газовой среде (аргон). а б Рис. 8. Внешний вид плоской модели (рабочие пластины) теплозащитного покрытия из УУКМ(с) до испытания (а) и после 5 циклов нагрева (б) в высокотемпературном газовом потоке. М /к, % 0 200 400 600 800 Т, °С Рис. 9. Зависимость относительного теплового деформирования пространственно-армиро ванного углеродного материала от температуры при термоциклировании вдоль оси армиро вания 2 . Как видно, повышение количества циклов нагрева до определенного числа (вдоль оси армирования 2 оно составляет три, рис. 9) приводит вна чале к увеличению относительных значений теплового расширения, а затем к их уменьшению. Указанная закономерность имеет место также при термо циклировании вдоль оси армирования X (рис. 10). Необходимо заметить, что при первом нагреве образца (рис. 10) на кривой температурного дефор мирования наблюдается минимум значений при температурах 300...3200С, что связано с усадочными явлениями в материале вплоть до температуры ~ 5000 с . ШВЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 127 Л. И. Грачева Рис. 10. Зависимость относительного теплового деформирования пространственно-армиро ванного углеродного материала при термоциклировании вдоль оси армирования X . (Штри ховые линии - усадка материала при охлаждении.) Экстремумы на кривых теплового деформирования, наблюдаемые при первом нагреве и связанные с усадочными явлениями в материале, при повторных нагревах отсутствуют. Постоянное уменьшение дилатометричес ких величин после четырех-пятикратного нагрева при дальнейшем увели чении циклов нагрева замедляется, и к 10-11-му циклу величины тепловых деформаций сопоставимы с данными, полученными при первом нагреве. А н али з результатов исследований. Результаты экспериментального исследования углерод-углеродных композиционных материалов с различной структурой армирования показали, что геометрия волокна в материале оказы вает существенное влияние на величину и знак термической деформации. В соответствии с полученными графиками температурного расширения исследуемых материалов определены амплитуды (диапазоны) изменения величин теплового деформирования. В табл. 1-3 представлены наибольш ие и наименьшие значения тепловых деформаций и их сумма (амплитуда) в температурном интервале 20...1000°С в зависимости от количества циклов нагрев-охлаждение. В табл. 3 приведены максимальные величины тепловых деформаций УУКМ (с) и пространственно-армированного УУКМ в направлениях 2 и X при термоциклировании в нейтральной газовой среде. Как видно из данных табл. 1-3, амплитуды тепловых деформаций УУКМ (с) вдоль направлений основы ткани наполнителя и утка отличаются после первого нагрева более чем в пять раз, после второго - в четыре, после третьего - в три. Для хаотически армированного УУКМ определяющим является влияние углеродной матрицы: величины амплитуд его ТД на 30% меньше данных УУКМ (с) вдоль направления утка после первого нагрева и практически совпадают после третьего. 128 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов Т а б л и ц а 1 Экстремальные значения относительных тепловых деформаций и их сумма (а) для хаотически армированного УУКМ при термоциклировании в нейтральной (над чертой) и окислительной (под чертой) газовой среде № термоцикла ТДтах ТДтт ТДа 1 0,80 0,02 0,78 0,6 0 0,6 2 0,70 0,03 0,67 0,57 -0,01 0,58 3 0,60 0,03 0,57 0,52 -0,05 0,57 4 0,54 0 0,54 0,48 0 0,48 5 0,51 0 0,54 0,40 0 0,40 Т а б л и ц а 2 Экстремальные значения относительных тепловых деформаций и их сумма (а) для слоистого УУКМ в направлении основы тканого наполнителя при термоциклировании в нейтральной (над чертой) и окислительной (под чертой) газовой среде № ТДтах ТДтт ТДа термоцикла Основа Уток Основа Уток 1 0,23 1,10 -0,02 0 0,25 0,10 0,80 -0,12 0,05 0,22 2 0,10 -0,78 -0,06 -0,02 0,16 0,02 -0,60 -0,24 -0,10 0,26 3 0,60 0,53 0,03 -0,02 0,57 -0,10 0,47 -0,36 -0,10 0,26 Углеродное наполнение УУКМ (с) (с коэффициентом анизотропии ткани 1:1) нейтрализует влияние матрицы, и диапазон изменения его ТД в двух взаимно ортогональных направлениях в плоскости армирования одинаков и не превышает 0,1%. Изменение экстремальных величин ТД пространственно-армированных УУКМ, исследованных вдоль направлений 2 и X , при термоциклировании в нейтральной среде происходило в диапазоне 0,2...0,4%, т.е. величины ампли туд ТД в двух взаимно ортогональных плоскостях отличались не более чем на 0,2%. Рассмотрение динамики изменения амплитудных значений УУКМ (с) и пространственно-армированных УУКМ в нейтральной газовой среде пока зало, что наибольшие амплитуды тепловых деформаций УУКМ(с) при термо циклировании получены после 7-го цикла нагрева (0,295), при дальнейшем увеличении количества циклов нагрева происходит постепенное уменьш е ние амплитудных значений ТД, при этом величины амплитуд после 10-го и ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 129 Л. И. Грачева 3-го циклов нагрева сравниваются (0,24%). Для пространственно-армиро ванных УУКМ также наблюдается снижение амплитудных значений ТД при росте количества циклов нагрева. Т а б л и ц а 3 Максимальные значения тепловых деформаций УУКМ(с) и пространственно-армированных УУКМ в направлениях Z (над чертой) и X (под чертой) при термоциклировании в нейтральной газовой среде № термоцикла УУКМ(с) УУКМ 1 0,20 0,360 0,215 2 0,17 0,390 0,200 3 0,24 0,410 0,230 4 0,25 0,360 0,205 5 0,22 0,340 6 0,27 0,300 7 0,29 — 8 0,27 — 9 0,25 — 10 0,24 — А///0 • 10, % Рис. 11. Изменение величины остаточной тепловой деформации УУКМ(с) при охлаждении в зависимости от числа термоциклов в нейтральной газовой среде. При исследовании температурного деформирования УУКМ при термо циклировании необходимо учитывать величины расширения-усадки, возни кающие в композите в обратном полуцикле - при охлаждении. На рис. 11 показана зависимость величины остаточной тепловой деформации УУКМ(с) при термоциклировании после охлаждения до комнатных температур. Как видно, остаточные деформации изменяют не только величину, но и знак, при 130 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов этом наблюдается общая тенденция роста значений ТД от 1-го до 5-го термо цикла, а затем неплавное их уменьшение: в нашем случае с 0,05 после 5-го термоцикла до 0,03% после 11-го. Заклю чение. Наименьшей амплитудой ТД обладают пространственно- армированные и слоистые УУКМ в направлении основы тканого наполни теля. Для слоистых УУКМ амплитудные значения ТД в направлении основы в три-пять раз меньше аналогичных данных, полученных вдоль направ ления утка углеродной ткани; для УУКМ (с) с распределением волокон в тканом наполнителе 1:1 амплитуды изменения ТД в направлениях 0 и 90° одинаковы и не превышают 0,1%. Величины и характер ТД хаотически армированного УУКМ определя ются деформированием углеродной матрицы при нагреве. Разница, состав ляющая 30% между данными, полученными для слоистого УУКМ вдоль направления утка и квазиизотропного УУКМ при первом нагреве, практи чески исчезает после 3-го термоцикла. Изменение амплитуды экстремальных значений ТД пространственно- армированных УУКМ в двух взаимно ортогональных направлениях Z и X происходит в интервале 0,2...0,45% при первых трех термоциклах, увели чение количества нагревов сокращает разницу между амплитудами ТД до 1%. Влияние окислительной газовой среды на характер и величину темпе ратурного деформирования УУКМ проявляется в более значительном, чем в аргоне, смещении кривых в область меньших значений, а также повыш ении температуры начала усадки для образцов из хаотически армированных УУКМ и параллельных направлению утка УУКМ(с). При термоциклиро- вании УУКМ обнаружена общая для всех исследованных типов армиро вания закономерность температурного деформирования: независимо от при роды газовой среды величины относительного теплового расширения устой чиво возрастают до 4-5-го циклов нагрев-охлаждение, а затем также устой чиво начинают уменьшаться. Экстремумы на кривых ТД, наблюдаемые при первых нагревах и свя занные с усадочными явлениями в материале, при увеличении термоциклов исчезают. Постоянное уменьшение данных дилатометрирования после 4-5-го циклов нагрева при последующем увеличении количества циклов нагрева замедляется, и к 10-11-му циклу максимальные величины ТД сопоставимы с данными, полученными при первом нагреве. Особый интерес представляет характер изменения ТД УУКМ во второй половине термоцикла при охлаждении до комнатных температур - остаточ ных деформаций. В исследованном температурном диапазоне величины остаточных деформаций, например, слоистых УУКМ при термоциклирова- нии колеблются от —0,1 до +0,5% . Изменение не только величины, но и знака остаточной деформации материала, работающего в пакете теплозащ ит ного покрытия, предназначенного для многоразового летательного аппарата, требует самого пристального внимания и учета их при технологической отработке конструкций. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 3 131 Л. И. Грачева Р е з ю м е Розглянуто результати експериментального дослідження теплового дефор мування карбонізованих вуглепластиків, що використовуються як тепловий захист літальних апаратів багаторазової дії. Показано, що при термоциклю- ванні шаруватих, хаотично та просторово армованих вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів до визначеного циклу нагріву (чотири-пять) зна чення теплового розширення незалежно від газового середовища випро бування зростають. При збільшенні числа термоциклів починають посту пово зменшуватися значення теплової деформації матеріалів, що пов’язано зі структурними змінами в матриці, волокні та на межі розподілу середовищ композита. 1. В о лъ м и р А . С. Современные концепции применения композиционных материалов в летательных аппаратах и двигателях // М еханика компо зитных материалов. - 1985. - № 6. - С. 1049 - 1056. 2. H a d c o c k R. N . A.I.A.A. - 1979. - No. 0719. 3. K e ie se r R . National Information Service (USA). - Pb. 283416, 1978. 4. А д а м с Д . Использование углепластиков в авиакосмической промыш ленности СШ А // Углеродные волокна и углекомпозиты. - М.: Мир, 1988. - С. 236 - 237. 5. П р о т а с о в В. Д . , С т р а хо в В. Л ., К улъ к о в А . А . Проблемы внедрения композитных материалов в конструкции авиационно-космической тех ники // М еханика композитных материалов. - 1990. - № 6. - С. 1057 - 1063. 6. Г р а ч е в а Л . И . Влияние технологических напряжений на прочность углеродных материалов при высоких температурах: Тр. III Междунар. конф. “М атериалы и покрытия в экстремальных условиях” (13-17 сент. 2004 г.). - Кацивели (АР Крым). - С. 344 - 345. 7. G ra ch eva L. I. Thermal stresses in composite materials at the m anufacturing stage // Proc. o f Int. Cong. on Thermal Stresses’ 05 (M ay 26 - June 3, 2005). - Vienna, 2005. - P. 763 - 767. 8. Ф и а лко в А . С. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов. - М.: М еталлургия, 1965. - 288 с. 9. Б е зр у к Л . И ., Х о р е в а Г . Б . Углеродные волокна как пример самоарми- рованного композита // М еханика композитных материалов. - 1982. - № 3. - С. 387 - 389. 10. Т а р н о п о лъ ски й Ю . М ., П о л я к о в В. А., Ж и гу н И . Г . Термическое дефор мирование пространственно армированных композитов // Там же. - 1990. - № 2. - С. 212 - 218. 11. Б у л а н о в В. Н ., В а си лъ ев А . В., Ф р а н ц е ви ч И . Н ., Ш е в ч е н к о В. Я . Ф раг ментирование поверхности теплозащитных материалов в процессе абля ции: Тр. I Всесоюз. конф. по дисперсно-упрочненным и волокнистым материалам. - Киев, 1968. - С. 287 - 290. 132 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 3 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов 12. Д С Т У 2 3 0 8 -9 3 . М етод визначення температурного коефіцієнта ліній ного розширення композиційних матеріалів у трьох взаємоортогональ- них напрямках / В. О. Борисенко, Л. І. Грачова, В. В. Рубан. - Київ: Держстандарт України, 1993. 13. B o ry se n k o V. A ., G ra ch eva L. I ., a n d P a n k ra to v a N . D . M ethods for investigation o f composite materials thermal deformation by optical dilato meters // Proc. o f 10th Int. Conf. on Experimental M echanics (18-22 July, 1994). - Rotterdam, 1994. - 2. - P. 837 - 841. 14. A . c. 1 3 2 8 6 6 7 С С С Р , MKHG01 B11/16. Образец для измерения темпера турных деформаций / Л. И. Грачева, Б. В. Марасин. - Опубл. 30.06.92, Бюл. № 24. 15. A. с. 9 9 8 8 5 8 С С С Р , MKИG01 B11/16. Фотоследящая система для измере ний деформаций объекта / Б. В. Марасин, А. Г. Малый, Н. А. Фот и др. - Опубл. 23.02.83, Бюл. № 7. 16. Г р а ч е в а Л . И . О влиянии режимов нагрева и природы газовой среды на тепловое деформирование углеродных материалов // Пробл. прочности. - 1981. - № 8. - С. 68 - 72. 17. А д а м с Д . Испытание углепластиков и оптимизация их свойств // Углеродные волокна и углекомпозиты. - М.: Мир, 1988. - С. 203 - 214. 18. Т рет ъяченко Г. Н ., Г р а ч ева Л . И., С т авцева Л . Ф. Исследование свойств изотропного углеродного материала при повышенных температурах // Косм. исследование в Украине. - 1982. - Вып. 16. - С. 58 - 63. 19. Б е р гм а н X . Разработка крупногабаритных космических конструкций // Углеродные волокна и углекомпозиты. - М.: Мир, 1988. - С. 188 - 202. 20. Г е л л е р А . Б ., С л а ви н ск и й С. Т., П е р е п е л к и н К . Б . Связь анизотропии армирующих высокомодульных волокон с механическими и теплофизи ческими свойствами композитных волокнистых материалов // Механика композитных материалов. - 1983. - № 1. - С. 160 - 161. 21. О када Д ж . Термическое расширение углеграфитовых материалов с каменноугольным песком в качестве связующего // Графит как высоко температурный материал. - М.: Мир, 1964. - С. 65 - 71. 22. С а м со н о в Б. А., Б у т ю ги н В. К., С и га р ев А . М . Изучение особенностей изменения плотности продуктов карбонизации некоторых полимеров // Конструкционные материалы на основе графита. - М.: М еталлургия, 1972. - С. 106 - 111. 23. А . с. 9779 7 1 С С С Р , М КИ G01M7/00. Стенд для исследования вибро прочности материалов и элементов конструкций в высокотемператур ном газовом потоке / Г. Н. Третьяченко, Г. И. М ельниченко, Л. Ф. Став- цева. - Опубл. 30. 11. 82, Бюл. № 44. Поступила 01. 09. 2005 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 3 133
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48059
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0556-171X
language	Russian
last_indexed	2025-11-28T06:32:56Z
publishDate	2007
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format	dspace
spelling	Грачева, Л.И. 2013-08-14T11:11:53Z 2013-08-14T11:11:53Z 2007 Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании / Л.И. Грачева // Проблемы прочности. — 2007. — № 3. — С. 118-133. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48059 539.377.539.4 Рассмотрены результаты экспериментального исследования теплового деформирования карбонизированных углепластиков, используемых в качестве тепловой защиты летательных аппаратов многоразового действия. Показано, что при термоциклировании слоистых, хаотически и пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов до определенного цикла нагрева (четыре-пять) значения теплового расширения увеличиваются независимо от газовой среды испытания. При росте числа термоциклов начинается постепенное уменьшение тепловой деформации материалов, связанное со структурными изменениями в матрице, волокне и на границах раздела сред композита. Розглянуто результати експериментального дослідження теплового деформування карбонізованих вуглепластиків, що використовуються як тепловий захист літальних апаратів багаторазової дії. Показано, що при термоциклюванні шаруватих, хаотично та просторово армованих вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів до визначеного циклу нагріву (чотири-пять) значення теплового розширення незалежно від газового середовища випробування зростають. При збільшенні числа термоциклів починають поступово зменшуватися значення теплової деформації матеріалів, що пов’язано зі структурними змінами в матриці, волокні та на межі розподілу середовищ композита. We discuss the results of experimental study of thermal deformation of carbonated coal-plastics, used for thermal protection of aircrafts. It is shown that thermal cycling of laminated, random- and spatially reinforced carbon-carbon composites up to a certain number (four or five) of heating cycles results in the increase of the thermal expansion parameters, irrespective of the particular gaseous environment. Increasing number of thermal cycles results in gradual reduction of thermal deformation of materials, which is related to structural changes in the matrix, fibers and the composite interface boundaries. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании Thermal deformation of carbon-carbon composites with various reinforcing schemes under thermal cycling conditions Article published earlier
spellingShingle	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании Грачева, Л.И. Научно-технический раздел
title	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
title_alt	Thermal deformation of carbon-carbon composites with various reinforcing schemes under thermal cycling conditions
title_full	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
title_fullStr	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
title_full_unstemmed	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
title_short	Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
title_sort	тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48059
work_keys_str_mv	AT gračevali teplovoedeformirovanieugleroduglerodnyhkompozicionnyhmaterialovsrazličnymishemamiarmirovaniâpritermociklirovanii AT gračevali thermaldeformationofcarboncarboncompositeswithvariousreinforcingschemesunderthermalcyclingconditions

Тепловое деформирование углерод-углеродных композиционных материалов с различными схемами армирования при термоциклировании

Institution

Ähnliche Einträge