Способ определения разориентации углеродных волокон в композиционных материалах

 

(ii) 44430 0

ОПИСАНИE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 30,06.72 (21) 1803703/26-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 25.09,74. Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 22.05.75 (51) М. Кл. С 01п 27... 02

Государственнык комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 537.035(088.8) (72) Авторы изобретения А. В. Кулаков, Ф. И. Зорин, А. С. Котосонов и В. В. Кулаков (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОП

УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН В КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ

Изобретение относится к неразрушающим методам определения структуры композиционных материалов, армированных углеродными волокнами. Материалы, армированные углеродными волокнами, находят все более широкое применение в машиностроении, авиационной, ракетной технике благодаря целому ряду уникальных свойств, таких как высокая механическая прочность, стойкость к воздействию высоких температур и агрессивных химических сред, легкость, износостойкость и др. Очень важным преимуществом таких материалов является возможность создания на их основе изделий, обладающих различной степенью анизотропии теплопроводности, электропро водности, упругости и т. д.

Одним из основных способов получения композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, является прессование смеси волокон с металлами, полимерами, нефтяными и каменноугольными пеками и др. Прессование проводят при температуре размягчения связующего, которая как правило значительно ниже температуры обработки углеродных волокон. Ввиду того, что при определенном отношении диаметра волокон к его длине (примерно 1/1000) увеличение длины волокна не приводит к упрочнению и незначительно изменяет другие свойства композиционного материала, часто применяют короткие (1 — 3 мм) волокна. При армпровании короткими волокнами возникающие при прессованпи направленные течения и усадкп приводят к тому, что волокна в некоторой степени ориентируются, и распределение волокон в заготовке имеет ось симметрии, совпадающую с направлением приложения дав1о ления. Преимущественное направление осей волокон в этом случае лежит в плоскости, перпендикулярной направлению приложения давления.

Другим распространенным способом полу15 чения композиционных материалов является пропитка однонаправленных или направленных под различными углами пучков углеродных волокон металлами, смолами и др. Распределение волокон в заготовке и в этом случае будет иметь ось симметрии. Свойства композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, существенно зависит от ориентации волокон в матрице. Из-за этого становится очень важной количественная характеристика степени ориентации волокон в композиционном материале.

Известен способ определения структуры композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, согласно которому

444100

sin Q =60

65 при помощи ультразвукового сканирования получают двумерное изображение образца, которое используют для определения ориентации волокон. Однако этот метод дает количественную оценку лишь для материалов, армированных однонаправленными или направленными под определенным углом друг к другу пучками волокон. В более сложном случае распределения волокон в матрице композиционного материала этот способ может дать лишь качественную оценку. Даже при однонаправленных, но слегка разориентированных относительно оси симметрии волокнах получить точную оценку разориентации затруднительно.

Целью предлагаемого способа является повышение точности измерений.

Для этого измеряют анизотропию магнитной восприимчивости углеродного волокна и композиционного материала, армированного такими же волокнами, и по углу между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице композиционного материала судят о разориентации.

В качестве примера, характеризующего разориентацию волокон используют средний квадрат синуса угла между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице (sin Q). Магнитную анизотропию определяют по известному методу Кришнана, который дает разность двух главных магнитных восприимчивостей на грамм веса. Ввиду того, что магнитная восприимчивость является симметричным тензором второго ранга, анизотропию магнитной восприимчивости углеродного волокна связывают с анизотропией магнитной восприимчивости таких же волокон, распределенных в матрице композиционного материала следующим образом: где sin Q — средний квадрат синуса угла между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице;

ЛхЬМ вЂ” анизотропия магнитной восприимчивости волокон в матрице композиционного материала (единица СГС на грамм);

Лхб — анизотропия магнитной восприимчивости волокна (единица СГС на грамм).

ЛхоМ определяют из магнитной анизотропии образца композиционного материала, используя известное весовое содержание волокон в образце, причем магнитную анизотропию образца следует понимать как восприимчивость вдоль оси симметрии минус восприимчивость перпендикулярно оси волокна и перпендикулярно оси. Формулу (1) получают при помощи выражений Эйлера с учетом известных особенностей структурного строения углеродных волокон. Для образцов композиционного материала, в которых преимущественное направление осей волокон совпадает

ЛхЬМ с осью симметрии образца, )О. В этом

Ьх

crryvaesin Q изменяется от О, что соответствует минимальной разориентации волокон, до />, что соответствует максимальной разориентации (изотропное распределение волокон) . В тех образцах, где преимущественное направление осей волокон лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии обЛхЬМ разца (p. При этом для максимальЬЬ ной разориентации значение sin Q получается равным /q, а минимальной разориентации — единице.

Благодаря тому, что предлагаемый способ основан на относительных измерениях анизотропии образца композиционного материала и анизотропии волокна, погрешность в определении сравнительно невелика. Лбсолютная

ЬхЬ М погрешность отношения составляет

ЛхЬ

7 10 — з. Отсюда абсолютная погрешность в области минимальных значений угла разориентации составляет 5.10 —, что соответствует

are 1 sin Q = 3. При значении sin Q, приближающегося к 1, абсолютная погрешность его определения 2,5 10- .

П р и и е р. Определяли sin Q углеродных волокон в композиционном материале, полученном путем прессования в матрице смеси углеродных волокон длиной 2 — 3 мм и диаметром около 10 мк со среднетемпературным каменноугольным пеком (температура размягчения 65 С) и измельченным нефтяным коксом. Прессование проводили при температуре 120 С и давлении 300 кг/см>. В одном из образцов, полученных при этой технологии, было 40 /о углеродных волокон, 30 /о кокса и

30 /о пека, а во втором соответственно 60/О, 10% и 30 /о. Углеродные волокна получили из полиакрилонитрильных волокон путем термообработки в инертной среде до 3000 С.

Измеряли анизотропию магнитной восприимчивости углеродных волокон и образцов композиционного материала, армированного такими же волокнами. Размеры образцов композиционного материала были 10+8/2 мм.

Анизотропия магнитной восприимчивости составила 8,91 (10 — ед. СГС/г для углеродного волокна; 1,67х,10 — ед. СГС/г для образца с

60/о волокон и 1,59 10 ед. СГС/г для образца, в котором было 40О/о волокна. Используя известное весовое содержание волокон в образцах композиционного материала, получили анизотропию ЛхоМ. В образце с меньшим весовым количеством волокон Ахи=

1.59 10 —

=3,98X10 — ед. СГС/г. Для об0,4

1, 67. 10- разца с 60 /о волокон ЛхбМ=

0,6

2,78 10 — ед. СГС/г определяли из выражения (1). Полученное значение sin Q составило (0,963 0,003) для образца с 40 волокон и (0,873 -0,003) для второго образца, 444100

Предмет изобретения

Составитель В. Чибрикин

Редактор 3. Твердохлебова Техред В. Рыбакова Корректор Т. Добровольская

Заказ 1169,/6 Изд. № 456 Тираж 651 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раугпская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Способ определения разориентации углеродных волокон в композиционных материалах путем сравнения характеристик материала, измеренных по различным направлениям, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измеряют анизотропию магнитной восприимчивости углеродного волокна и композиционного материала, армированного такими же волокнами, и по

5 углу между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице композиционного материала судят о разориентации.