Исследование особенностей строения и напряженно
advertisement
ВИАМ/2010-205635 Исследование особенностей строения и напряженно-деформированного состояния углеродных волокон с различной формой поперечного сечения И.С. Деев кандидат технических наук С.В. Моргулец кандидат технических наук М.Н. Шаньгина Август 2010 Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира. В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный. За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов. Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов. Статья подготовлена для опубликования журнале «Материаловедение», № 1, 2011 г. Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public в Исследование особенностей строения и напряженнодеформированного состояния углеродных волокон с различной формой поперечного сечения И.С. Деев1, С.В. Моргулец2, М.Н. Шаньгина2 1 2 ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва ОАО «Национальный институт авиационных технологий», г. Москва Исследованы характерные особенности строения и напряженнодеформированного состояния углеродных волокон (УВ) с различной формой поперечного сечения. Проведена оценка реального понижения прочности УВ с бобовидной формой поперечного сечения по сравнению с УВ с круглой формой поперечного сечения. Показано, что уровень действующих эквивалентных напряжений в волокне с незначительным прогибом в сечении увеличился на 11% и для волокна с существенным прогибом – на 23% по сравнению с действующими напряжениями в волокне с круглым поперечным сечением. Нормальные напряжения в элементах структуры, расположенных в зонах возникновения максимальных напряжений, увеличились на 5 и 27%, а прочность волокон уменьшилась на 20 и 45% соответственно. Ключевые слова: микроструктура, углеродные волокна, сканирующая электронная микроскопия, напряженно-деформированное состояние, теория прочности Мизеса. Введение В настоящее время высокопрочные высокомодульные углеродные волокна, как армирующие наполнители конструкционных углепластиков, коммерческое использование которых началось в середине 20 века, заняли прочное место среди основных секторов потребления в мировой экономике: самолетостроении, аэрокосмической технике, альтернативной энергетике (ветряные турбины), производстве спортинвентаря и др. К отличительным особенностям углеродных волокон (УВ) относится сочетание высоких удельной прочности и модуля упругости с высокими термостойкостью, электропроводностью, инертностью по отношению к большинству химических сред и низким коэффициентом линейного термического расширения. В качестве исходных материалов для получения УВ наиболее пригодными оказались полиакрилонитрильные (ПАН) волокна. В зависимости от способа формования исходные ПАН-волокна могут иметь различную форму поперечного сечения: круглую, бобовидную и т.п. [1]. Большинство отечественных и зарубежных производителей УВ применяют ПАН-волокна солевого способа формования, при котором в осадительной ванне используют раствор полимера в роданиде натрия. Однако значительная часть отечественных УВ (ЭЛУР-П, ЛУ-П, Кулон, ВЭН-210) в настоящее время изготавливают из ПАН-волокон, сформованных в водно-диметилформамидную (ДМФ) осадительную ванну. Эти волокна имеют бобовидную конфигурацию поперечного сечения с одним или несколькими прогибами. Известно, что круглая форма волокна гарантирует минимальную концентрацию внутренних напряжений при нагружении и максимальную реализацию прочностных характеристик армирующего наполнителя в композиционном материале, в отличие от материала, армированного бобовидными волокнами. Поэтому представляла практический интерес оценка реального понижения прочности бобовидных УВ по сравнению с круглыми. Целью настоящего исследования является выявление «эффекта формы», т.е. исследование характерных особенностей строения и напряженнодеформированного состояния УВ с различной формой поперечного сечения. Объекты и методы исследования В работе исследовали полученные из ПАН-волокна углеродные волокна ЭЛУР-П, ЛУ-П, УКН, Кулон и ВЭН-210 с различной формой поперечного сечения (рис. 1, 2, 3) и различными уровнями прочности при растяжении в диапазоне 1650–6120 МПа. Поверхности разрушения образцов УВ после механических испытаний исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) высокого разрешения в режиме вторичных электронов. Фрактографические исследования образцов проводили на различных структурных (микро-, мезо- и частично нано-) уровнях. Для выявления сверхтонкой структуры материалов использовали ионно-плазменное травление по методике [2, 3]. Напряженно-деформированное состояние УВ, изготовленных различными способами, оценивалось в современном конечно-элементном (КЭ) пакете MSC. Patran/Nastran [4]. Три модели волокна рассмотрены на рис. 4. Рисунок 1. СЭМ-фотографии структуры торцев углеродных волокон ЭЛУР-П с бобовидной формой поперечного сечения: а, в, г – ×10000; б – ×20000 Рисунок 2. СЭМ-фотографии (×10000) структуры торцев углеродных волокон с бобовидной формой поперечного сечения: а – ЭЛУР-П после 7 ч травления в HNO 3 ; б – ЭЛУР-П с тремя прогибами; в – ВЭН-210; г – КУЛОН Рисунок 3. СЭМ-фотографии структуры торцев углеродного волокна УКН с круглой формой поперечного сечения: а – ×10000; б – ×20000 Рисунок 4. Схематическое изображение поперечного сечения углеродного волокна: I – волокно с круглым поперечным сечением; II – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с малым прогибом; III – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с существенным прогибом; (D=5,7 мкм, t=0,3 мкм, h=1,2 мкм, Т=2 мкм, d=1,1 мкм) Экспериментальные результаты и их обсуждение На СЭМ-фотографиях поперечных изломов углеродных волокон с бобовидной и круглой формами поперечного сечения видно (см. рис. 1, 2, 3), что структура поверхностей изломов образована двумя микрофазами, в одной из которых – «микроматрице» (темное поле) распределены элементы, в другой – фибриллы (светлые участки). Сечение фибрилл имеет неправильную форму и поперечные размеры 100–500 нм. Фибриллы состоят из микрофибрилл с сечением 50–100 нм. Поверхностная оболочка волокна (см. рис. 1, б, 2, г) образована одним слоем фибрилл различной степени упаковки. Объемная доля фибрилл в поперечном сечении волокон (степень фибриллярности) составляет 0,35–0,63. Следует отметить, что в углеродных волокнах ЭЛУР встречаются моноволокна, «микроматрица» в которых структурирована. На рис. 1, б отчетливо видны глобулярные образования, заполняющие межфибриллярные пространства. Возможно, что в процессе изготовления этого волокна «микроматрица» переходит в мезофазное состояние, характерное для некоторых пеков. Для углеродных волокон ЭЛУР-П с бобовидной формой поперечного сечения и УКН с круглой формой поперечного сечения, обладающих прочностью 1570–2220 МПа, характерна большая концентрация стохастических (не связанных со структурой) дефектов, особенно в поверхностном слое (раковины, обрывы и петли фибрилл и др.). На сколах у поверхности волокон ЭЛУР-П и КУЛОН видны раковины, инициировавшие, по-видимому, их обрыв (см. рис. 1, а, 2, г). Для структуры фибрилл на торцах волокон характерно большое разнообразие форм их поперечного сечения (см. рис. 1, 2, 3). В одних случаях она бобовидная, овальная и может быть аппроксимирована эллипсом, для иных волокон характерна многогранная форма фибрилл, близкая к ромбоэдрической, в некоторых УВ фибриллы имеют вид неравностороннего треугольника. В волокнах, выпускаемых под одной маркой, встречаются фибриллы, имеющие совершенно различные формы поперечного сечения (см. рис. 1, а, в). Важность этого факта заключается в том, что в неявном виде он указывает на возможность непосредственного контакта фибрилл друг с другом, например, в результате перехода микрофибриллы из одной фибриллы в другую (эффект ветвления фибрилл). Вероятность такого контакта при одинаковом значении степени фибриллярности выше для фибрилл с неправильной, остроконечной формой поперечного сечения. Степень их связности (перколяции) наследуется от исходного органического волокна, существенным образом отражается на таких свойствах, как прочность и электропроводность. Совершенно очевидно, что связанный пучок «микроармирущих» элементов «работает» иным образом в сравнении с несвязанным. Таким образом, данные микроструктурного и фрактографического анализа свидетельствуют о «микрокомпозитном» строении углеродных волокон. Фибриллы («армирующая» микрофаза) имеют коллоидные размеры (150–400 нм) и включают в себя следующие подструктуры: микрофибриллы (50–100 нм), пачки (до 20 нм). Фибриллы могут объединяться в агрегации с поперечным размером более 400 нм. Вероятно, каждый вид надструктуры образуется путем спиральной укладки подструктурных элементов. Монолитность, сопротивление сдвигу и сжатию, термостойкость углеродных волокон обеспечивает квазиаморфный углерод («микроматрица»), заполняющий межфибриллярное пространство. При определенных условиях этот углерод может структурироваться, например, с образованием мезофазы. Углеродные волокна, полученные из ПАН-волокон и различающиеся не только формой поперечного сечения, но и по микроструктуре и дефектности, можно представить в виде «микрокомпозита», в котором аксиально ориентированные графитоподобные фибриллы «армируют» квазиаморфную углеродную «микроматрицу». Вариант «микрокомпозитной» модели, предложенной на основе СЭМ-исследований и новой методики анализа механических свойств углеродных волокон [7], позволяет использовать в полном объеме научные представления и технологический опыт, накопленные при разработке и изучении макрокомпозитов – армированных пластиков. С этих позиций дальнейшего роста прочности волокон можно достигнуть путем оптимизации их микрофазового состава, а главное, путем уменьшения поперечных размеров элементов «армирующей» микрофазы. Последний путь находится в полном согласии со статистической теорией прочности твердого тела. Существенного повышения прочности следует ожидать также в результате совершенствования технологии (в том числе применения осадительной ванны с роданидом натрия), позволяющей получать УВ с круглой формой и снижающей уровни концентрации напряжений на поверхности УВ и концентрации напряжений от стохастических дефектов. Для исследования характерных особенностей напряженно- деформированного состояния УВ с различной конфигурацией поперечного сечения применяли конечно-элементную модель (рис. 5), при построении которой использовались 3D элементы типа Hex 8, позволяющие установить напряженно-деформированное состояние по трем направлениям. В качестве нагрузки прикладывали растягивающее усилие 1 Н. Нагрузку задавали равномерным «отрицательным» давлением, действующим на один из торцов волокна. Второй торец по всем узлам МРС *-связями соединяли с узлом, ограниченным в перемещении по всем степеням свободы. Свойства элементов структуры исследуемых углеродных волокон приведены в табл. 1 [8]. Рисунок 5. Конечно-элементная модель углеродного волокна: I – волокно с круглой формой поперечного сечения, II – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с малым прогибом, III – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с существенным прогибом Таблица 1. Элемент структуры Сердцевина Оболочка Свойства элементов структуры исследованных углеродных волокон с бобовидной формой поперечного сечения Модуль упругости Модуль упругости Коэффициент Е 11 , ГПа Е 22 , ГПа Пуассона µ 220 60 0,26 450 100 0,17 Определяли эквивалентные напряжения в поперечном сечении для всех трех вариантов волокон по теории прочности Мизеса [5] (рис. 6). Для нивелирования краевых эффектов рассматривалось сечение в середине отрезка волокна. Эквивалентные напряжения по теории Мизеса характеризуют общее напряженное состояние в любой точке модели и определяются по формуле [5]: σ экв = 1 2 (σ 1 2 2 2 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ1 ) , где: σ 1 , σ 2 и σ 3 – главные значения тензора напряжений. МРС – Multipoint Constraint – заменитель конечных элементов (КЭ), используемый для моделирования определенных физических элементов (жесткие связи, шарниры, ползунные механизмы и т.п.). * Рисунок 6. Эквивалентные напряжения по теории Мизеса в поперечном сечении углеродного волокна: I – волокно с круглой формой поперечного сечения, II – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с малым прогибом, III – волокно с бобовидной формой поперечного сечения с существенным прогибом (справа – шкала напряжений, МПа) Для отдельно взятых КЭ модели углеродного волокна, расположенных в зоне возникновения максимальных эквивалентных напряжений, рассчитаны тензоры напряжений (рис. 7, 8, 9). Рисунок 7. Тензор напряжений, возникающих в отдельно взятом элементе углеродного волокна с круглой формой поперечного сечения, МПа Рисунок 8. Тензор напряжений, возникающих в отдельно взятом элементе углеродного волокна с бобовидной формой поперечного сечения с малым прогибом, МПа Рисунок 9. Тензор напряжений, возникающих в отдельно взятом элементе углеродного волокна с бобовидной формой поперечного сечения с существенным прогибом, МПа Уровень действующих эквивалентных напряжений (табл. 2) в сечениях увеличился на 11% – для углеродного волокна с незначительным прогибом в сечении (тип II) и на 23% – для волокна с существенным прогибом в сечении (тип III) по сравнению с действующими напряжениями в углеродном волокне с круглым поперечным сечением (тип I). Нормальные напряжения в элементах, расположенных в зонах возникновения максимальных напряжений, увеличились на 5 и 27%, при этом прочность волокон уменьшилась на 20 и 45% соответственно. Сдвиговые напряжения имеют на порядок меньшие значения по сравнению с нормальными напряжениями. Учитывая тот факт, что лимитирующими в данной задаче являются продольные растягивающие напряжения, сдвиговые напряжения не представляют особого интереса, поскольку не являются критическими. Доля бобовидных углеродных волокон с существенным прогибом (тип III) в реальных нитях (основа лент ЭЛУР-П и ЛУ-П) составляет небольшую величину. Основная масса таких волокон имеет форму типа II. Поэтому в результате «неэффективной» формы поперечного сечения элементарных углеродных волокон реальное понижение предела прочности при растяжении таких волокон с бобовидной формой поперечного сечения, по сравнению с круглыми, составляет 20%. Таблица 2. Значения действующих эквивалентных напряжений в углеродных волокнах с различной формой поперечного сечения Тип Максимальные Нормальные Сдвиговые напряжения волокна эквивалентные напряжения напряжения отдельно отдельно взятого по теории Мизеса, МПа взятого элемента, МПа элемента, МПа I II III 51700 57600 63700 49300 51900 62600 112 296 88,3 Выводы Исследованы характерные особенности строения и напряженно- деформированного состояния углеродных волокон (УВ) с различной формой поперечного сечения. Проведена оценка реального понижения прочности УВ с бобовидной формой поперечного сечения по сравнению с УВ с круглой формой поперечного сечения. Показано, что уровень действующих эквивалентных напряжений в сечениях для волокна с незначительным прогибом увеличился на 11% и для волокна с существенным прогибом – на 23% по сравнению с действующими напряжениями в волокне с круглым поперечным сечением. Нормальные напряжения в элементах структуры, расположенных в зонах возникновения максимальных напряжений, увеличились на 5 и 27%, а прочность волокон уменьшилась на 20 и 45% соответственно. Список литературы: 1. Пакшвер Э.А. Полиакрилонитрильные волокна. В кн. «Карбоцепные синтетические волокна» / Под ред. К.E. Перепелкина. М.: Химия, 1973. 589 с. 2. Деев И.С., Кобец Л.П. // Механика композитных материалов. 1986. № 1. С. 3–8. 3. Деев И.С., Кобец Л.П. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1999.Т. 65. № 4. С. 27–34. 4. Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчеты механических конструкций в системе MSC. Patran – Nastran. М. Ч. I. 2003. 130 с.; Ч. II. 2003.174 с. 5. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1975. 400 с. 6. Малинин H.H. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 542 с. 7. L.P. Kobets & I.S. Deev. // Composites Science and Technology. 1997. V. 57. P. 1571–1580. 8. Новиков В.У., Кобец Л.П., Деев И.С. // Механика композитных материалов. 2004. Т. 40. № 1. С. 3–24.
