Скачков В.А., Иванов В.И., Нестеренко Т.Н.,

Червоный И.Ф., Карпенко А.В.

Запорожская государственная инженерная академия

К РАСЧЕТУ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАРБОНИЗОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

Процесс карбонизации углеродных композитов характеризуется наличием сложных физико-химических преобразований в объеме полимерной матрицы с образованием коксового остатка. При этом выделяются летучие газообразные вещества различного состава и происходят процессы термохимической усадки и температурного расширения. Такое многообразие процессов обусловливает образование микротрещин, микропор, а, следовательно, и формирование поля структурных напряжений.

Для исследования указанных процессов возможно использование статистических методов микромеханики композитов. В этом случае классические подходы микромеханики дополняются учетом процессов разрушения и изменения свойств отдельных компонентов композитов, как в результате механических нагрузок, так и температурного воздействия.

Свойства карбонизованных материалов оцениваются при помощи математической модели, основанной на решении статистической краевой задачи микромеханики композитов. Данная модель позволяет:

- учитывать образование микроскопических дефектов;

- рассчитывать микроструктурные напряжения и оценивать уровень микроструктурных преобразований;

- определять изменение свойств и коэффициентов термохимической усадки в компонентах композитов (углеродных волокнах, порообразователях и матрице):

; (1)

; (2)

; (3)

, (4)

где x_ijk, e_ij - микроструктурные напряжения и деформации соответственно; c_i - вектор случайных микроструктурных перемещений; Q_ijmn - случайные модули упругости компонентов углеродного композита; w^k - случайные термоструктурные функции, которые устанавливают зависимость упругих свойств углеродного композита от степени его структурных преобразований при термохимической обработке и учитывают процессы трещинообразования; l_k - случайная индикаторная функция, которая определяет вероятность принадлежности рассматриваемой точки в объеме углеродного композита с номером k; b_ij - случайные компоненты линейного термического расширения компонентов композита; y^k - случайные термоструктурные функции, которые устанавливают зависимость термохимической усадки компонентов углеродного композита от температуры процесса; Т - температура процесса; s - граница композиционного материала; N - число компонентов в углеродном композите; k - номер компонента композита (k = 1...3).

Решение поставленной задачи представляли в виде системы уравнений:

, (5)

где ; ;

,

- микроструктурные деформации углеродного композита; - оператор статистического осреднения.

С использованием представленной системы уравнений рассчитывали микроструктурные деформации и напряжения в компонентах углеродного композита, а также микроскопические модули упругости композита.

Предложенная модель позволяет с использованием специально разработанной программы для ПЭВМ:

- осуществлять выбор и обработку экспериментальных данных;

- определять средние значения и дисперсии микронапряжений в компонентах углеродных композитов;

- выполнять оценку поврежденности компонентов композитов;

- рассчитывать изменение упругих свойств и коэффициентов линейного термического расширения для произвольных температур карбонизации углеродных композитов в зависимости от уровня действующей температуры.