Исследование особенностей строения и напряженно

Реклама
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.
Скачать