Технічні науки

ОЦІНКА МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛІЦІЙОВАНИХ ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТІВ

В.О.Скачков, В.І.Іванов, Т.М.Нестеренко, С.В.Болюк

Запорізька державна інженерна академія,

Підвищення характеристик міцності й ударної в’язкості силіційованих вуглецевих композиційних матеріалів припускає збереження цілісності та рівню характеристик вуглецевих волокон. Під час карбідизації вуглецевих композитів, просочених рідким силіцієм, вуглецеві волокна беруть участь у хімічному процесі та втрачають свої характеристики.

Для захисту вуглецевих волокон від хімічної взаємодії з силіцієм на них наносять хімічно стійке захисне покриття у вигляді оксидів металів.

Структура таких композиційних матеріалів складається з вуглецевих волокон та, оксидного покриття, що їх оточує, карбіду силіцію, а також вільного силіцію й матричного вуглецю, які залишилися від реакції карбідизації. Матричний вуглець утворюється як результат карбонізації феноло-формальдегідного в’яжучого та має аморфну структуру, що є близькою до скловуглецю [1].

Для прогнозування властивостей п’ятикомпонентного композиційного матеріалу із захисним шаром на армуючих волокнах можливе використання підходу, поданого у роботі [2].

Фізична модель п’ятикомпонентного композита описується середовищем класу В₂, в рамках якої на елементах другого порядку малості задаються характеристики кожного компонента та мікропошкодження, що створюються [4].

Модулі пружності модельного середовища для п'ятикомпонентного силіційованого вуглецевого композита залежать від модулів пружності компонентів композиту: вуглецевих волокон, захисного оксидного шару, карбіду силіцію, вільного силіцію та вільного вуглецю матриці, а також враховуються випадкові функції мікропошкодження кожного компонента та випадкова індикаторна функція [3,4].

Об’ємний вміст р₂ захисного шару на вуглецевих волокнах визначається співвідношенням

де р₁ – об’ємний вміст вуглецевих волокон;

h – товщина захисного шару;

r – радіус вуглецевих волокон.

Під час розв’язання статистичної задачі механіки мікронеоднорідних середовищ визначають функції розподілу мікронапружень у компонентах композита з урахуванням створення мікропошкоджень.

Під час одержання рішення враховували статистичну незалежність модулів пружності та функцій пошкодження, а також незалежність функцій пошкодження для різних компонентів між собою.

Для оцінки пошкодження компонентів композита використовували критерій Захарова, для якого визначено моментні функції першого та другого порядку.

Визначення властивостей міцності силіційованого вуглецевого композиційного матеріалу здійснюється методом математичного експерименту. Будують систему чисельного випробування для одержання діаграми розтягування під час жорсткої схеми навантаження. Задають деяке значення деформації. За цими величинами визначають середні значення мікронапружень, моментні функції другого порядку розподілу мікронапружень, і параметри розподілу мікронапружень у компонентах композита. Далі визначають середні значення пошкодження компонентів композита. Після цього уточнюють параметри розподілу пружних характеристик композиту та знову визначають середні значення мікронапружень. Одержують одну точку кривої деформації. Потім деформацію збільшують на певне значення та повторюють розрахунки за попередньою схемою, визначаючи нову точку кривої деформації.

Розрахунки проводять до тих пір, поки процесу збільшення деформацій відповідатиме зростання середнього напруження. Максимальне значення середнього напруження відповідатиме межі міцності силіційованого вуглецевого композиційного матеріалу.

Література

1. Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. - М.: Энергия, 1979. – 319 с.

2. Скачков В.А., Шадчина З.М., Прусакова Е.А. Упругие и прочностные характеристики структурно-неорганичных сред с протекторным слоем / В кн.: Механика и физика разрушения композитных материалов и конструкций. - Ужгород, 1988. – С.52-53.

3. Соколкин Ю.В., Скачков В.А. О структурном подходе к оценке-работоспособности конструкций из композиционных материалов // Механика композиционных материалов. – 1981. - № 4. – С.608-614.

4. Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. – Минск: БГУ, 1978. - 205 с.