Прогнозирование термомеханических свойств пироуглеродных матриц углерод-углеродных композитов

• Автор: Шавшуков, Вячеслав Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 94 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1.Модель пироуглеродной матрицы как многофазного поликристалла
1.1 .Физическое описание матрицы. Обзор экспериментальных данных.
1.2.Структурно-феноменологическая модель матрицы
2.Стохастическая краевая задача механики пироуглеродной матрицы
2.1.Постановка краевой задачи
2.2.Корреляционное приближение краевой задачи механики пироуглеродной матрицы
2.3.Обобщенное сингулярное приближение краевой задачи механики пироуглеродной матрицы
3.Прогнозирование термомеханических свойств пироуглеродной матрицы
3.1 .Прогнозирование упругих свойств пироуглеродной матрицы
3.2.Прогнозирование эффективных теплофизических характеристик пироуглеродных матриц
3.3.Прогнозирование диаграмм деформирования и пределов прочности
4.Прогнозирование эффективных свойств углерод-углеродных композиционных материалов
4.1.Методика прогнозирования эффективных термоупругих свойств однонаправленных углерод-углеродных композитов
4.2. Методика прогнозирования эффективных термоупругих свойств пространственных ортогонально армированных углерод-углеродных композитов
Заключение
Список литературы
Приложение: акт внедрения

ВВЕДЕНИЕ
Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) являются важнейшим классом конструкционных материалов. Эти материалы состоят из углеродных армирующих волокон и углеродной матрицы. По уровню механических свойств (упругих и прочностных) при температурах выше 2000 градусов Цельсия УУКМ превосходят все известные конструкционные материалы, которые на современном уровне развития техники доступны в промышленных масштабах в виде достаточно крупных заготовок. Первоначально эти материалы применялись в высоконагруженных (в тепловом и силовом отношении) узлах, таких как детали сопел ракетных двигателей и других. Впоследствии нашли применение и другие специфические свойства УУКМ: высокая коррозионная стойкость в
большинстве агрессивных сред, стабильный коэффициент трения по стали, низкий коэффициент теплового расширения, биологическая совместимость с живыми тканями и некоторые другие. Разработка технологии получения герметичных УУКМ с пироуглеродными покрытиями позволила применить эти материалы в различных деталях химаппаратуры, где недопустима утечка ядовитых и агрессивных газов и жидкостей. На поверхности таких деталей образуется герметичный слой поликристаллического пироуглерода. Из армированных герметичных углеродных материалов изготавливают, например, детали электролизеров для получения молибденовых деталей из расплава солей, емкости для химической переработки оксидного ядерного топлива и другие детали химаппаратуры (в первую очередь в замен графитовых, которые при одинаковой с УУКМ химстойкостью имеют намного меньшую прочность), тормозные накладки высоконагруженных тормозов тяжелых самолетов и спортивных автомобилей и т.д.
Все известные технологические методы получения пространственно-армированных УУКМ состоят из двух этапов: создание углеродного армирующего каркаса и введение в него углеродной матрицы. В отличие от полимерных композиционных материалов (ПКМ) эти этапы всегда разнесены во времени.
Первый этап базируется на опыте, накопленном при производстве конструкций из ПКМ. Он включает выбор типа углеродного волокна, схемы армирования и технологический способ создания армирующего каркаса. Выбор типа волокна зависит от области применения, стабильности свойств волокон при последующей термообработке каркаса. Схема армирования определяется в первую очередь действующими на деталь нагрузками, выбор ее является самостоятельной задачей проектирования. Технологический способ создания каркаса зависит от множества факторов, в том числе от способности углеродных волокон подвергаться тем или иным методам текстильной переработки.
Второй этап - создание и введение в каркас углеродной матрицы -является наиболее сложным и важным этапом в производстве углерод-

углеродных материалов. В настоящее время имеется два принципиально разных метода создания углеродной матрицы, применяемых на этом этапе.
Первый метод называется жидкофазным методом насыщения углеродного каркаса. В этом методе армирующий каркас пропитывают в вакууме или под давлением смолой или расплавом каменноугольного или нефтяного пека в специальных установках. Далее осуществляется отверждение (при необходимости) и карбонизация смолы или пека. Процесс карбонизации заключается в нагреве до температуры разложения смолы или пека на свободный углерод и летучие остатки и выдержке при этой температуре в инертной среде в течение необходимого времени. Свободный углерод выделяется в виде коксового остатка. Затем может проводиться графитация коксового остатка. Все эти стадии создания матрицы многократно повторяются до получения материала необходимой плотности.
Вторая разновидность метода получения углеродной матрицы - осаждение углерода из газовой фазы при пиролизе метана или другого природного газа. Получаемая таким способом матрица для краткости называется пироуглеродной. Пироуглеродные матрицы являются главным объектом настоящего исследования. Процесс газофазного насыщения включает в себя диффузию газа, содержащего активный углерод, через каркас, где происходит термическое разложение углеводородов на свободный углерод и летучие остатки, и отложение твердой фазы углерода на волокнах. Постепенно матрица заполняет все межволоконное пространство.
В свою очередь, газофазный метод имеет две разновидности: изотермический и термоградиентный методы.
При изотермическом методе насыщения температура одинакова во всем пространстве каркаса, поэтому отложение пироуглерода происходит одновременно во всем каркасе. Достоинством метода является относительно простое оборудование, недостаток - невысокая плотность получаемых УУКМ, около 1,5 г/куб.см. Ограничение плотности происходит вследствие закупоривания протоков для поступления газа. В основном метод применяют для насыщения тонкостенных изделий.
При термоградиентном методе насыщения в каркасе создается градиент температуры, температура постепенно повышается и пиролиз газа начинается в наиболее нагретой зоне. Обычно это внутренняя поверхность изделия. Пиролиз происходит в узкой зоне, где температура выше температуры разложения углеводородного газа. По достижении в зоне пиролиза максимальной плотности температура насыщенной части каркаса повышается и зона пиролиза перемещается в соседнюю часть армирующего каркаса. Так происходит движение фронта насыщения. Метод позволяет получать УУКМ с плотностью около 1,8 куб.см. и применяется для насыщения толстостенных изделий.
При всех методах насыщения пироуглеродом получаемый материал имеет заметную остаточную пористость. Это обусловлено физической сутью газофазного метода и принципиально неустранимо. Структура и свойства пироуглерода зависят от многих параметров технологического процесса

тг1каа _ ( V-стар А (г/- . ( ^ т^аРуу -ггаарр
1гпрр ~ I ^ ГУ88 V Мт I ^ ар88 | ^ уу
Для сокращения записи формул введем специальные обозначения для трех типов скалярных сверток
«, = > «2 = К&, а, = К%* - (2.2.12)
В этих обозначениях формула для эффективного модуля (2.2.10) примет вид
С'ш, = {Сш )------------[(5 - 2К)а2 - К а, ]К*<
45
(5 - 2К)а3 - ^ (5 + К)«2 + у X а
Дш. (2.2.13)
75 {Ц)
Вводя обычные обозначения Смт — ЪК ' Г/к/т Т 2£/ • Е)мт получаем для эффективного объемного модуля и эффективного модуля сдвига произвольной среды в корреляционном приближении
К-= (К)--Л [(5 _ 2К)а2 - Ка, ] , (2.2.14)
135
Р=(р>-
(5 - 2К)а3 - - (5 + К)а2 + - К а,
150<дг>
где а,=К%*, а2 = Ка3 = К%*.
Для многофазного поликристалла полезно разделить осреднение по ориентациям кристаллографических осей фаз и по объему среды.
Средние модули легко вычисляются
{К) = ЪРЛК^)=1-ЪркС^
к у к
<»)=^РРМ(к>) =41 А(ЗС3& -®) •

Произведем разделение операций осреднения в свертках а,, аг, а
- Ча*Т = <с«ам СГ& > - (Саа0 ) • <с^ > = ((Саат )2> - <Саада >2 =
=1л(С^С^)ЧЕл<С^»2 •

Так как - скаляр, то (С^С%) = , (С%) = . и
а. = 1.МС2&)* -(ТрьС^У =ЪРьС1%[С^ - (С^)] =
к к к
= Х ХМ&/-р>)с«&с«&=ЕМС2& У-<с^у.
к I к
Из последнего равенства следует, что для любого однофазного поликристалла тождественно а, =0, и только для многокомпонентных сред а, 0.
Если учесть, что -^-СДде ={К(к)), то можно переписать ах в такой форме
о! к <>* *
где <.К(к)) =К(к) средний объемный модуль к-ой фазы.