Анизотропия механических свойств композиционного материала на основе терморасширенного графита

При моделировании свойств композиционных материалов на основе отходов терморасширенного графита (ТРГ) и его отходов необходимо учитывать анизотропию свойств, возникающую из-за того, что при прессовании чешуйки графита [1, 2] перестраиваются в плоскость, перпендикулярную направлению действия силы прессования [3]. Авторы разработали композиционный материал, состоящий из двух порошкообразных компонентов – частиц размером 63315 мкм, полученных измельчением отходов производства уплотнений из ТРГ и модифицированной силиконовой смолы (МСС). При создании материала авторы варьировали соотношением отходов ТРГ и связующего – ММС. Композиционный материал, получаемый прессованием, имеет структуру, где чешуйки графита располагаются перпендикулярно усилию прессования [3].

Заготовки из композиционного материала изготавливали односторонним прессованием тщательно перемешенных компонентов смеси, которые помещались в удлиненную вертикальную пресс-форму прямоугольного сечения со

съемным дном [4]. Соотношение компонентов в композиционном материале приведено в табл. 1. После прессования заготовки спекали и разрезали на образцы для испытания на сжатие. Образец для испытания имел форму прямоугольной призмы, размеры: 10х10х15 мм (ГОСТ 4651-82 [5]). Механические испытания композиционного материала проводили на испытательной машине модели Р-0,5 по методике, подробно изложенной в работах [6, 7]. Эксперименты с каждый вариантом соотношений компонентов смеси (табл. 1) повторяли по 5 раз. Чтобы исключить влияние случайных ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, качеством сырья, квалификацией лаборанта и т. д.), рандомизировали опыты во времени, т.е. очередность их проведения выбирали случайным образом.

Таблица 1. Соотношение компонентов в композиционном материале

Проведенные испытания и последующий анализ кривых «напряжение-деформация» (рис. 1) показали, что при сжатии композиционного материала, где ориентированные слои графита расположены перпендикулярно усилию сжатия, при достижении предельных значений напряжений образец разрушается мгновенно, процессу присущ взрывной характер. При сжатии композиционного материала в направлении, параллельном ориентированным слоям графита, разрушение происходит поэтапно. Причем образующиеся трещины развиваются под углом близким к 45° (рис. 2.) или параллельно действию сжимающей силы (рис. 3), расслаивая образец в зависимости от содержания модифицированной силиконовой смолы.

Относительная деформация, %

Рис. 1. Характерные кривые «напряжение-деформация» при сжатии композиционного материала на основе отходов ТРГ в направлении, где ориентированные слои графита расположены перпендикулярно (1) и параллельно (2) усилию сжатия

Рис. 2. Характер разрушения образцов из композиционного материала на основе отходов ТРГ при сжатии в направлении, параллельном ориентированным слоям графита, с содержанием ММС от 20 мас.%.

Рис. 3. Характер разрушения образцов из композиционного материала на основе отходов ТРГ при сжатии в направлении, параллельном ориентированным слоям графита, с содержанием ММС от 50 мас.%.

На рис. 4 и 5 графически представлены результаты статистической обработки испытаний композиционного материала на основе отходов

Содержание модифицированной силиконовой смолы, %

Рис. 4. Влияние содержания ММС на величину предела прочности образцов из композиционного материала на основе отходов ТРГ при сжатии в направлении, перпендикулярном (1) и параллельном (2) ориентированным слоям графита

Рис. 5. Влияние содержания ММС на величину модуля упругости образцов из композиционного материала на основе отходов ТРГ при сжатии в направлении, перпендикулярном (1) и параллельном (2) ориентированным слоям графита

Выводы: проведенные эксперименты подтвердили, что композиционный материал обладает выраженной анизотропией свойств. Величина предела прочности при сжатии образцов в направлении, параллельном ориентированным слоям графита, меньше на 4-6 МПа, чем в перпендикулярном. Модуль упругости при сжатии образцов в направлении, параллельном ориентированным слоям, в 2 раза больше, чем в перпендикулярном и составляет 1100-1200 МПа. При этом надо заметить, что в ранее проведенной работе [8] при измерении твердости при вдавливании шарика по ГОСТ 4670–91 [9] на поверхности образцов того же состава анизотропия твердости не выявлена.