Влияние температуры испытаний на усталостные свойства композиционных материалов на углеродной матрице

Постнов Вячеслав Иванович, доктор технических наук, доцент, начальник филиала соплах ракетных двигателей, защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и во многих других случаях. Эти материалы находят также применение в изделиях, подверженных воздействию динамического нагружения при повышенных температурах. Механические свойства таких материалов при температурах до 450°С и динамическом нагружении изучены недостаточно полно.

Цель работы: исследование механических свойств УУКМ, изготовленных по двум технологическим вариантам (с термостатированием и без него) в условиях динамического нагружения при температурах 20 ° С и 450 ° С.

Были отработаны методические вопросы испытаний и определены механические свойства углеродных материалов (на образцах в виде стержней) при нормальной и повышенной температурах. В качестве объектов исследования служили углерод-углеродные материалы двух вариантов изготовления:

• 1.    Углерод-углеродный материал (УУМ-2), состоящий из углеродного жгута УКН-П/5000 и углеродной матрицы, полученный со стадией термостатирования. Схема армирования следующая: 0/90/0/90/0/90/0/90/0 (угловая ориентация слоев дана начиная с наружного слоя относительно продольной оси образца). Образцы изготовлены в виде стержней постоянного поперечного сечения.

• 2.    Углерод-углеродный материал (УУМ-3), состоящий из углеродного жгута УКН-П/5000 и углеродной матрицы, полученный без стадии термостатирования. Схема армирования следующая: 0/90/0/90/0/90/0/90/0 (угловая ориентация

слоев дана начиная с наружного слоя относительно продольной оси образца). Образцы изготовлены в виде стержней постоянного поперечного сечения. У всех образцов данной группы имелись дефекты в виде расслоений, которые располагались на разных расстояниях от наружной поверхности (h деф. изменялась от h/9 до h/2, где h – толщина образца) для разных образцов. По длине образцов эти расслоения наблюдались как в центре образцов, так и в районе боковых торцев. У образцов УУМ-3/7 имелся кроме того вырыв наружного слоя ( ф =0 ° ) на одной поверхности образца. На рис. 1 в качестве примера приведены дефекты, наблюдаемые на образце УУМ-3/5. В табл. 1 приведены механические свойства углерод-углеродных материалов при статическом нагружении и температуре 20 ° С.

Рис. 1. Вид дефектов образца УУМ-3/5

Таблица 1. Механические свойства углеродуглеродных материалов при статическом нагружении

Испытания углеродных материалов при повышенных температурах (до 450°С) проводились в резонансном режиме нагружения на приспособлении, состоящем из узла подвески образцов в узловых линиях основной формы из-гибных колебаний и электрической печи для нагрева средней части образцов. Испытания проводились с использованием обычных фольговых и специальных высокотемпературных тензоре-зисторов. Высокотемпературные тензорезисторы наклеивались в средней части образцов (в зоне максимальных температур), здесь же наклеивалась хромель-копельная термопара для контроля максимального уровня температур в образце испытаний. Образец в целом имеет неравномерное температурное поле. Центральная часть образца, находящаяся в печи, нагрета до температуры, соответствующей температуре испытаний. Свободные концы образцов имеют температуру выше температуры окружающей среды. При длине образцов 200 мм на образцах имеется участок длиной 30^40 мм с равномерным температурным полем. При испытании образцов на струнах по первой изгибной форме место максимальных относительных деформаций находится в середине образца по длине, т.е. в равномерном температурном поле. Испытания углеродных материалов при нормальной температуре (20°С) также проводились в резонансном режиме нагружения. Образцы закреплялись в приспособлении на струнах в узловых линиях первой формы изгибных колебаний. В табл. 2 приведены средние значения динамического модуля упругости при изгибе углерод-углеродных материалов (температура испытаний 20°С) и значения коэффициента Пуассона. Коэффициент вариации модуля упругости составил 3,9% для образцов с термостатированием и 5,7% для образцов без термостатирования. Значения динамических модулей упругости оказались ниже приведенных в табл. 1, особенно для образцов без термостатирования. Это может быть связано с начальными дефектами.

Таблица 2. Упругие свойства углеродуглеродных материалов

Влияние температуры на модуль упругости оказалось не велико. Получено, что в интервале температур 20^450°С максимальное уменьшение Е составило ~4% по сравнению с первоначальным. Проводилась также расчетным путем оценка изменения Е с ростом температур, учитывающая неравномерность температурного поля в образце, которая дала аналогичный результат. На рис. 2 приведена зависимость логарифмического декремента колебаний углеродных материалов от уровня относительных деформаций е при температуре 20°С. Даны средние значения логарифмического декремента колебаний. Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что коэффициент вариации в зависимости от уровня относительных деформаций составляет у=6^15%. Из рис. 2 видно, что для углеродного материала с термостатированием зависимость логарифмического декремента колебаний от уровня относительных деформаций мала. Для материала без термостатирования зависимость 5 от е выражена в большей степени, что обусловлено значительными дефектами в образцах. Определение логарифмического декремента колебаний 5 при температуре 450 °С не показало его зависимости от температуры при таком определении температур по образцам. Все полученные результаты укладывались в границы, определенные коэффициентом вариации для испытаний при температуре 20°С.

Рис. 2. Зависимость логарифмического декремента колебаний углерод-углеродных материалов от уровня е

Усталостные испытания образцов проводились в режиме постоянных относительных деформаций на базе N=106 циклов. Для исключения выработки материала под струнами на образцы в этих местах наклеивались никелевые накладки. Результаты усталостных испытаний углерод-углеродных материалов при температуре

20 ° С приведены в табл. 3. При испытании образца УУМ-3/1 не удалось выйти на высокий уровень е и образец разрушился на уровне е =50 - 10^-5. О наличии большого количества начальных дефектов в этом образце (по сравнению с другими) говорит и такой факт, что логарифмический декремент колебаний образца УУМ-3/1 на уровне е =50 - 10^-5 составил 5- 4,0%, тогда как у других образцов среднее значение 5 на этом уровне составило 1,6%. Из табл. 3 видно, что деформационный предел выносливости материала УУМ-2 составил е —1 - 150 - 10 — ⁵ на базе 10 6 циклов и материала УУМ-3 е —1 - 75 - 10 — ⁵ (без учета образца УУМ-3/1). Следует отметить, что начальные дефекты в образцах УУМ-3 существенно снизили их деформационный предел выносливости. Изменение резонансной частоты образцов происходило в виде ступенек, практически без начального падения частоты. Разрушение материала УУМ-2 проявлялось в виде отслоения наружных слоев по кромкам образцов в центре (по длине образцов). У материала УУМ-3 разрушение носило другой характер, оно проявлялось в виде расслоения между слоями (по толщине) как в центре образцов, так и в районе узловых линий. Наблюдались так же продольные трещины в отдельных слоях (расслоение между волокнами в слое). В табл. 4. приведены результаты усталостных испытаний материала УУМ-3 при температуре 450 ° С остался прежним.

Таблица 3. Результаты усталостных испытаний углерод-углеродных материалов при нормальной температуре (20 ° С)

Таблица 4. Результаты усталостных испытаний углерод-углеродных материалов при повышенной температуре (450 ° С)

Выводы:

• 1.    Определены упруго-демпфирующие и усталостные свойства углерод-углеродных материалов при температуре 20 ° С. Получено, что для образцов с термостатированием значение модуля упругости несколько выше, чем без термостатирования, причем снижение динамического модуля упругости по сравнению со статическим у материала УУМ-2 меньше, чем у материала УУМ-3 (что может быть связано с наличием начальных дефектов в этих образцах). Демпфирующая способность материала УУМ-3 оказалась примерно в 2 раза выше, чем у материала УУМ–2 (что связано с наличием начальных дефектов).

• 2.    Деформационные пределы выносливости на базе N=10⁶ циклов углерод-углеродных материалов составил: £ -1 =150 - 10 -5 для материала УУМ-2 и £ —1 =75 - 10 —5 для материала УУМ-3.

• 3.    Испытания при повышенной температуре 450 ° С материала УУМ-2 показали, что данный уровень температур практически не оказывает влияния на упругодемпфирующие

и усталостные свойства этого материала. Максимальное уменьшение модуля упругости Е в диапазоне температур 20 ^ 450 ° С составило 4%. Демпфирующая способность и усталостная прочность это материала при температуре 450 ° С не изменилась.