Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 10, стр. 1331-1335

ВВЕДЕНИЕ

Современные углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) находят все большее применение в составе огнеупорных конструкций. Уровень их механических характеристик, в первую очередь прочность и модуль упругости, существенно возрос [1, 2] благодаря эффективному способу формирования углеродной матрицы – изостатической карбонизации при давлениях до 100 МПа и температуре при этом до 750°С [3]. В результате достигается комплекс повышенных свойств: прочностные и упругие характеристики на уровне алюминиевых сплавов при жаростойкости конструкционных графитов. Изостатическая карбонизация композиций на основе каменноугольных пеков сопровождается образованием полиароматических углеводородов с высоким коксовым числом. Особенностью исполнения технологии при повышенных давлениях среды является проведение процесса карбонизации в сверхкритических условиях для образующихся углеводородов. При этом за счет изменения физического состояния углеводородного органического вещества формируются углеродные осадки (кокс) высокой плотности.

Ранее нами были опубликованы [4] экспериментальные данные по прочностным характеристикам УУКМ, основанные на анализе совокупности результатов контроля качества сотен серийно выпускаемых заготовок этого материала при изостатической технологии получения углеродных матриц. При этом многомерно армированные заготовки представляли собой толстостенные кольца, из которого механической обработкой изготавливались целевые изделия, а также образцы для исследования и контроля свойств материала. Общий вид одного типа изготовленных деталей показан на рис. 1. Схема армирования заготовки хорошо выражена после ее механической обработки.

Наряду с экспериментальными исследованиями свойств УУКМ представляет интерес проведение расчетных оценок этих свойств и сравнение их с фактическими данными. В настоящей работе такой подход рассмотрен на примерах определения прочности при растяжении и термопрочности трехмерно армированного УУКМ.

ОЦЕНКА УРОВНЯ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ УУКМ ТРЕХМЕРНОГО АРМИРОВАНИЯ

Исследуемый материал можно рассматривать как композицию из одномерно армированных углеродных стержней, скрепленных углеродной матрицей. В рассматриваемом случае углеродные стержни были изготовлены из углеродной нити УКН-5000, а углеродная матрица получена высокотемпературной обработкой каменноугольного пека. Прочностные характеристики такого материала должны быть основаны на суммировании прочности стержней при их эффективном соединении матрицей.

Для расчетной оценки прочности композиционного материала из исходных данных по прочности стержней армирования объемной структуры экспериментально была определена прочность при растяжении однонаправленных стержней с углеродной матрицей. При этом стержни уплотняли коксом каменноугольного пека по общей с композиционным материалом технологии. Длина изготовленных стержней до 200 мм, диаметр до 1.2 мм. Кажущаяся плотность стержней ~1.84 г ∙ см^–3. Длина стержней выбрана достаточной для эффективного “захвата” в заделке для исключения их вытягивания при испытаниях. Расчетное объемное содержание филаментов углеродного волокна в стержне составило ~0.4. Стержни деформировали упруго вплоть до момента разрыва.

Результаты испытания стержней при их растяжении приведены в табл. 1. Как видно из таблицы, среднее экспериментальное значение прочности композитного стержня заметно меньше величины известной прочности филамента этого типа углеродного волокна (~3700 МПа). Основной причиной относительно невысокого уровня реализации прочности углеродного волокна в углеродной матрице является высокая дискретность последней (разные виды пор и микротрещин термического происхождения) [5].

На рис. 2 представлен общий вид каркаса армирования на этапе его сборки из стержней. Как видно, каркас представляет собой достаточно пористую структуру. Объемное содержание углеродных стержней в каркасе и, соответственно, в композите V $ \cong $ 0.59–0.61. Тогда в направлениях армирования ожидаемую прочность композита можно вычислить по формуле

Поэтому при прочности стержня σ_ст ~ 687 МПа ожидаемая прочность композита в каждом из трех направлений армирования, без учета прочности углеродной матрицы, составит ~135–140 МПа. Вклад углеродной матрицы может составить дополнительную величину ~10 МПа в пределах прочности при растяжении конструкционного графита и тем самым влиять на дисперсию результатов.

Для оценки вклада углеродной матрицы в уровень прочности композита экспериментально определили адгезионную прочность связи на границе стержень–углеродная матрица. Для этого наблюдали вытяжку стержней из общего объема материала при растяжении образцов с длиной галтели в зоне “захвата” ~20 мм. Для локализации вытяжки с одной стороны образцов последние изготовили с несимметричными формами галтелей. Фотография шести образцов после испытаний приведена на рис. 3. Оценку адгезионной прочности (τ_адг) проводили из равенства касательных и нормальных напряжений для стержня по формуле

где Р – нагрузка начала вытягивания стержней; S – боковая поверхность армирующего стержня на высоте галтели; n – количество стержней, вытянутых из галтели.

Результаты оценки адгезионной прочности УУКМ, представлены в табл. 2. В итоге прочность композита с учетом вклада адгезионной прочности составит ~144–148 МПа.

На рис. 4 приведены статистические данные по реализуемой прочности УУКМ трехмерного армирования за отдельный непрерывный период изготовления. Среднее значение прочности при растяжении по 28 изготовленным заготовкам составило 146.7 МПа, что хорошо согласуется с расчетной оценкой.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ УРОВНЯ ТЕРМОПРОЧНОСТИ УУКМ ТРЕХМЕРНОГО АРМИРОВАНИЯ

В настоящей работе проведено численное исследование формирования уровня термопрочности УУКМ трехмерного армирования. Любые формы критериев термостойкости являются формой записи оценки запаса прочности k, являющегося отношением предела прочности при растяжении σ к действующим термическим напряжениям:

где σ – предел прочности; α – коэффициент линейного термического расширения; Е – модуль упругости; λ – коэффициент теплопроводности; ν – коэффициент Пуассона.

Наиболее известен в практическом использовании для стационарных условий эксплуатации материала критерий Кинджери [6]:

В настоящей работе с целью материаловедческого обоснования оптимальных границ технологического процесса применили облик критерия Кинджери в упрощенном виде:

Критерий термопрочности в настоящем виде введен в приемо-сдаточную документацию трехмерно армированного УУКМ при выпуске деталей, общий вид которых представлен на рис. 1. В производстве УУКМ уплотнение материала производят в процессе нескольких (обычно до пяти) последовательных этапов изостатической карбонизации и последующей высокотемпературной обработке, в результате чего пористость материала в долях снижается от ~0.3 после первого этапа уплотнения до ~0.05 после заключительного этапа. Для численного анализа поведения величины критерия R_l были использованы представленные в табл. 3 экспериментальные данные по прочностным свойствам УУКМ при растяжении в зависимости от пористости. Коэффициент термического линейного расширения α для УУКМ практически не зависит от пористости. Это объясняется тем, что в высокомодульных композитах этот коэффициент практически совпадает с коэффициентом для армирующего углеродного волокна, а оно, как известно, не расширяется само и столь жесткое, что удерживает весь композит от расширения. Поэтому в численных расчетах была принята величина α, равная 3.0 · 10^–6 К^–1.

Результаты численного исследования зависимости величин критерия термопрочности от величины пористости трехмерно армированного УУКМ приведены в последней строке табл. 3 и на рис. 5.

В области высокой пористости материала его модуль упругости относительно мал, и это является основной причиной высоких показателей условного критерия термической прочности. При уменьшении пористости до ~0.14 модуль упругости практически достигает предела роста, что свидетельствует о практически полном включении структурных элементов материала в восприятие и перераспределение внешней нагрузки. Можно считать, что уровень пористости ~0.14 и соответствующий ему уровень плотности ~1.8 г ∙ см^–3 являются границами, начиная с которых УУКМ может выполнять функции конструкционного материала. При той же пористости ~0.14 прекращается падение и начинается рост критерия термопрочности, что свидетельствует о достижении границы стабильной эксплуатации огнеупорных деталей из УУКМ.

В практике производства сдаточный параметр коэффициента термопрочности за отдельный период представлен на рис. 6.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показана хорошая предсказуемость прочностных свойств трехмерно армированного УУКМ, рассчитанных из экспериментальных данных по прочности материала армирования.

2. Определено граничное значение плотности УУКМ 1.8 г ∙ см^–3, при котором одновременно достигаются надежная термостойкость материала и его прочностные свойства, обеспечивающие использование материала в конструкционных огнеупорных изделиях.