Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке
Представлены результаты исследования закономерностей изменения несущей способности и эрозионной стойкости углерод-углеродных композиционных материалов как с чисто углеродной, так и с боросилицированной матрицей в условиях одностороннего нагрева потоком воздушной плазмы. Дана сравнительная оценка...
Gespeichert in:
| Datum: | 2001 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Schriftenreihe: | Проблемы прочности |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46695 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке / Э.А. Эскин, В.К. Федчук, А.С. Петров // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46695 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-466952013-07-06T10:39:44Z Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке Эскин, Э.А. Федчук, В.К. Петров, А.С. Научно-технический раздел Представлены результаты исследования закономерностей изменения несущей способности и эрозионной стойкости углерод-углеродных композиционных материалов как с чисто углеродной, так и с боросилицированной матрицей в условиях одностороннего нагрева потоком воздушной плазмы. Дана сравнительная оценка изучаемых характеристик нескольких типов углеродных композиционных материалов. Определена степень влияния боро- силицирования углерод-углеродных композиционных материалов на их работоспособность при эксплуатации в конвективных потоках. Наведено результати дослідження закономірностей зміни несучої здатності та ерозійної стійкості вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів як із чисто вуглецевою, так із боросиліцированою матрицею в умовах одностороннього нагрівання потоком повітряної плазми. Проведено порівняльну оцінку досліджуваних характеристик деяких типів вуглецевих композиційних матеріалів. Визначено ступінь впливу боросиліцирування вуглець- вуглецевих композиційних матеріалів на їх працездатність при експлуатації в конвективних потоках. Results of studies on the regularities of variation of the load carrying capacity and erosion resistance of carbon-carbon composite materials with both pure carbon and boron-siliconized matrixes under conditions of one-sided heating by the flow of air plasma are presented. Comparative estimation of the investigated characteristics for carbon composites of several types was given. Severity of the effect of boron- siliconizing carbon-carbon composites on their serviceability in convective flows was assessed. 2001 Article Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке / Э.А. Эскин, В.К. Федчук, А.С. Петров // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46695 620.171.32 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Эскин, Э.А. Федчук, В.К. Петров, А.С. Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке Проблемы прочности |
| description |
Представлены результаты исследования закономерностей изменения несущей способности
и эрозионной стойкости углерод-углеродных композиционных материалов как с чисто
углеродной, так и с боросилицированной матрицей в условиях одностороннего нагрева
потоком воздушной плазмы. Дана сравнительная оценка изучаемых характеристик нескольких
типов углеродных композиционных материалов. Определена степень влияния боро-
силицирования углерод-углеродных композиционных материалов на их работоспособность
при эксплуатации в конвективных потоках. |
| format |
Article |
| author |
Эскин, Э.А. Федчук, В.К. Петров, А.С. |
| author_facet |
Эскин, Э.А. Федчук, В.К. Петров, А.С. |
| author_sort |
Эскин, Э.А. |
| title |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| title_short |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| title_full |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| title_fullStr |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| title_full_unstemmed |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| title_sort |
несущая способность и эрозионная стойкость углеродных композиционных материалов в конвективном тепловом потоке |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2001 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46695 |
| citation_txt |
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных
композиционных материалов в конвективном тепловом потоке / Э.А. Эскин, В.К. Федчук, А.С. Петров // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 87-93. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT éskinéa nesuŝaâsposobnostʹiérozionnaâstojkostʹuglerodnyhkompozicionnyhmaterialovvkonvektivnomteplovompotoke AT fedčukvk nesuŝaâsposobnostʹiérozionnaâstojkostʹuglerodnyhkompozicionnyhmaterialovvkonvektivnomteplovompotoke AT petrovas nesuŝaâsposobnostʹiérozionnaâstojkostʹuglerodnyhkompozicionnyhmaterialovvkonvektivnomteplovompotoke |
| first_indexed |
2025-07-04T06:08:05Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:08:05Z |
| _version_ |
1836695458907422720 |
| fulltext |
УДК 620.171.32
Несущая способность и эрозионная стойкость углеродных
композиционных материалов в конвективном тепловом потоке
Э. А. Эскин3, В. К. Ф едчука, А. С. Петров6
а Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
6 Министерство энергетики Украины, Киев, Украина
Представлены результаты исследования закономерностей изменения несущей способности
и эрозионной стойкости углерод-углеродных композиционных материалов как с чисто
углеродной, так и с боросилицированной матрицей в условиях одностороннего нагрева
потоком воздушной плазмы. Дана сравнительная оценка изучаемых характеристик не
скольких типов углеродных композиционных материалов. Определена степень влияния боро-
силицирования углерод-углеродных композиционных материалов на их работоспособность
при эксплуатации в конвективных потоках.
К лю ч е вы е слова: несущая способность, деформативность, эрозионная стой
кость, углерод-углеродные композиционные материалы, боросилицирование.
В аэрокосмической технике все более широко применяются углерод-
углеродные композиционные материалы (УУКМ). Эти материалы имеют
относительно небольшой удельный вес, обладают высокой прочностью и
эрозионной стойкостью при работе в высокотемпературных газовых потоках
и рядом других характеристик, что позволяет их использовать при изготов
лении деталей и узлов конструкций, эксплуатируемых в условиях высоких
тепловых нагрузок.
Существенным недостатком УУКМ является то, что при воздействии
окислительной среды их работоспособность практически ограничена темпе
ратурой 500°С вследствие окисления как углеродного наполнителя, так и
углеродной матрицы. Можно незначительно повысить окислительную стой
кость материалов путем термообработки при 2000...3000°С в инертной среде.
Более эффективными средствами защиты от окисления служат покры
тие или пропитка материалов пиролитическим углеродом, карбидом крем
ния, силицирование, боросилицирование или нанесение окислов тугоплав
ких металлов [1, 2].
Одним из типов таких материалов, предназначенных для эксплуатации
в высокотемпературных газовых потоках, содержащих кислород, являются
боросилицированные УУКМ. Они представляют собой материалы на основе
объемно-армированных графитизированных наполнителей и углеродной мат
рицы - прококсованного связующего и пироуглерода, полученного из газовой
фазы при разложении углеводородов. Защита от окисления создается в про
цессе боросилицирования при высокой температуре [3].
Цель настоящей работы - исследование несущей способности и эрози
онной стойкости боросилицированных УУКМ при одностороннем нагреве
2
потоком воздушной плазмы с удельным тепловым потоком q = 550 кВт/м ,
моделирующим условия их эксплуатации в составе изделий аэрокосмичес
кой техники.
© Э. А. ЭСКИН, В. К. ФЕДЧУК, А. С. ПЕТРОВ, 2001
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 5 87
Э. А. Эскин, В. К. Федчук, А. С. Петров
Исследовались свойства обеих композиций, содержащих до 80% кар
бидной фазы сложного состава - Б1С(Б) и 81Б(С), а также некоторое коли
чество свободного непрореагировавшего кремния.
Объемное армирование изучаемых УУКМ проводилось как путем про
шивки слоев однослойной ткани ТКК-2 с пирокарбидным покрытием (ком
позиция 1), так и путем использования объемного наполнителя на основе
многослойной ткани Урал-Н-24/3 (композиция 2).
Испытания проводили на установке, разработанной в Институте проб
лем прочности НАН Украины на базе линейного плазматрона [4]. Установка
позволяет в лабораторных условиях определять прочностные характерис
тики и несущую способность элементов конструкций, работающих в усло
виях одностороннего конвективного нагрева, при моделировании факторов,
наиболее ответственных за разупрочнение материалов. К ним в первую
очередь относятся величина и время воздействия теплового потока, а также
его химический состав. Моделирование теплового состояния материала
осуществляется потоком низкотемпературной плазмы, получаемой с помо
щью линейного плазматрона, при граничных условиях как первого, так и
второго рода, а химического состава среды - путем использования в качест
ве рабочего тела различных газов и их смесей.
Несущую способность (прочность и деформативность) композиций 1, 2
исследовали при одностороннем нагреве в условиях четырехточечного из
гиба и растяжения. Время нагрева составляло 20 мин, по истечении кото
рого проводилось силовое нагружение образцов вплоть до их разрушения с
записью диаграмм деформирования [4].
Несущую способность материалов определяли по значениям пределов
прочности и разрушающей деформации. Правомочность такой оценки несу
щей способности боросилицированных УУКМ при одностороннем нагреве
подтверждается тем, что формирование температурного градиента (неста
ционарный период нагрева) в материале образцов происходит в первые 1-3
минуты, по мере дальнейшего воздействия теплового потока температурное
поле по его сечению стабилизируется, разница температур нагреваемой и
тыльной поверхности не превышает к 10-й минуте 50...70°С, т.е. по длине
образца устанавливается однородное температурное поле. Кроме того, после
воздействия теплового потока линейный и массовый унос композиций 1, 2
практически отсутствует. Исследование структуры разрушенных матери
алов показало отсутствие физико-химических превращений.
Результаты определения несущей способности образцов, вырезанных из
композиций 1, 2 при одностороннем нагреве в условиях изгиба и растя
жения, представлены на рис. 1, 2.
Анализ приведенных данных показывает, что прочностные характе
ристики исследуемых материалов при изгибе изменяются незначительно
(табл. 1). Так, условный предел прочности композиции 1 увеличивается с
69 МПа в исходном состоянии до 71,5 МПа (на 4%) после 20 минут
одностороннего нагрева, т.е. в пределах разброса экспериментальных дан
ных. Деформативность композиции 2 при нагреве уменьшается, а компози
ции 1 остается без изменений.
88 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
Несущая способность и эрозионная стойкость .
о , МПа
90
80
70
60
50
40
30
20
11
™
.\111111111111
1 1 •\ *
^
1 1 1 1 1 1 1 1 1 • 1
10 20 Т, МИН
Рис. 1. Изменение прочности к о м п о з и ц и и 1 (сплошные л и н и и ) и 2 (штриховые л и н и и ) при
изгибе (1, 2) и растяжении (3, 4) в условиях одностороннего нагрева.
г, %
10 20 Т, Мин
Рис. 2. Изменение предельных деформаций композиции 1 (сплошные линии) и 2 (штриховые
линии) при изгибе (1, 2) и растяжении (3, 4) в условиях одностороннего нагрева.
Поведение образцов композиций 1, 2 при испытаниях в условиях растя
жения и одностороннего нагрева несколько отличается. Просматривается
тенденция увеличения значений условного предела прочности боросилици-
рованных УУКМ. Если предел прочности композиции 1 после нагрева при
НЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 89
Э. А. Эскин, В. К. Федчук, А. С. Петров
изгибе повысился на 3,2% по сравнению с исходным значением, то при
растяжении - на 13,75%, композиции 2 - соответственно на 6,25 и 18%.
Значения разрушающих деформаций композиции 1 увеличиваются, компо
зиции 2 - уменьшаются.
Т а б л и ц а 1
Изменение прочности и деформативности композиций 1 и 2 при изгибе
и растяжении в условиях одностороннего нагрева потоком воздушной плазмы
Условия
испытаний
Изгиб Растяжение
М ср’
Н- мм
с̂р>
МПа
£ср>
%
Р ,ср
Н
@ ср ,
МПа
£ср>
%
Т = 20°С 5050 69,0 0,17 1590 27,6 0,51
(исходное состояние) 7740 85,0 0,55 1780 32,8 1,30
д = 550 кВт/м2, 4860 71,5 0,15 1880 32,0 0,83
т = 20 мин 7240 80,0 0,44 2360 40,0 1,00
Примечение. Над чертой приведены данные для композиции 1, под чертой - для компо
зиции 2. Здесь и в табл. 2: Мср - изгибающий момент; Рср - разрушающая нагрузка; стср -
условный предел прочности; £ср - деформация при разрыве.
В реальных условиях эксплуатации в составе изделий аэрокосмической
техники испытуемые боросилицированные УУКМ подвергаются также воз
действию низких температур. Поэтому проведены исследования по оценке
влияния предварительного охлаждения на несущую способность обеих иссле
дуемых композиций. Методически это осуществлялось следующим обра
зом. Исследуемые образцы охлаждались парами жидкого азота до темпе
ратуры — 130°С с последующей выдержкой при этой температуре в течение
20 мин. Охлажденные таким образом образцы подвергались односторон
нему нагреву потоком воздушной плазмы в течение 0,5; 1; 8; 12 и 20 мин,
после чего разрушались. Величина удельного теплового потока, как и в
предыдущих исследованиях, составляла 550 кВт/м . Результаты испытаний
(табл. 2) показывают, что несущая способность материалов при изгибе
существенно отличается. Так, если при воздействии низких температур и
последующем одностороннем нагреве условный предел прочности компо
зиции 2 практически не изменяется (остается на уровне значений в исход
ном состоянии), то аналогичная характеристика композиции 1 уменьшается
на 24,3%.
Причем наибольшее снижение прочности при изгибе наблюдается к
концу первой минуты нагрева и составляет 44,3% исходной. Это можно
объяснить тем, что в первую минуту нагрева в материале образуется значи
тельный градиент температур по сечению образца. Существенная неодно
родность температурного поля приводит к большим термическим напряже
ниям, которые снижают несущую способность образцов. При дальнейшем
нагреве градиент температур, а следовательно, и термические напряжения
уменьшаются. Это приводит к увеличению значений условного предела
прочности после восьмой минуты нагрева до 56,2 МПа. Далее возрастает
влияние временного фактора. Несущая способность композиции 1 опять
уменьшается и после 20-й минуты нагрева составляет 75,6% исходной.
90 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
Несущая способность и эрозионная стойкость
Деформативность композиции 1 повышается по сравнению с исходной на
26%, в то время как деформативность композиции 2 уменьшается на 32,74%.
Т а б л и ц а 2
Изменение прочности и деформативности боросилицированных композиций 1, 2
при изгибе и растяжении в условиях одностороннего нагрева
потоком воздушной плазмы с учетом предварительного охлаждения
Условия
испытаний
Изгиб Растяжение
М ср,
Н- мм
^ср,
МПа л
с̂ р рср
Н
^ср,
МПа
£ср,
%
Композиция 1
Т = 20°С
(исходное состояние)
5050 69,0 0,17 1590 27,6 0,510
Т =-130°С, т = 20 мин 4000 49,0 0,16 1410 24,4 0,851
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 1 мин
3100 38,5 0,11 — — —
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 8 мин
4500 56,2 0,22 - — —
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 12 мин
3980 52,7 0,26 — — —
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 20 мин
3600 52,2 0,23 1490 26,8 0,460
Композиция 2
Т = 20°С
(исходное состояние)
7740 85,0 0,55 1788 32,8 1,300
Т =-130°С, т = 20 мин 7190 82,6 0,42 1793 27,7 1,120
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 0,5 мин
7270 81,6 0,34 — — —
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 1 мин
8510 87,0 0,40 — — —
Т =-130°С, т = 20 мин
q = 550 кВт/м2, т = 20 мин
7950 82,6 0,37 1760 34,2 0,720
Прочность композиций 1 и 2 при растяжении в условиях воздействия
низких температур уменьшается соответственно на 11,45 и 15,44%, при
последующем нагреве она повышается до исходного значения.
Эрозионную стойкость УУКМ изучали при обдуве образцов струей
воздушной плазмы с удельным тепловым потоком q = 550 кВт/м , соответ
ствующим реальным условиям эксплуатации. Объектами испытаний слу
жили образцы четырех типов УУКМ:
на основе ткани ТКК-2 и фенольно-формальдегидной смолы марки
БСЛ;
на основе ткани Урал-Н-24/3 и фенольно-формальдегидно-фурфуроль-
ной смолы марки ФН;
боросилицированный на основе ткани ТКК-2;
боросилицированный на основе ткани Урал-Н-24/3.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 91
Э. А. Эскин, В. К. Федчук, А. С. Петров
В процессе эксперимента фиксировалось изменение веса и линейных
размеров образцов. Скорость линейного уноса V образцов исследуемых
материалов определялась изменением высоты образца в течение теплового
воздействия. Одновременно определялась величина массового уноса (%) как
отношение изменения веса в процессе нагрева к первоначальному весу
образца. Результаты исследований эрозионной стойкости УУКМ приведены
в табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Эрозионная стойкость исследуемых материалов при одностороннем нагреве
потоком воздушной плазмы
Состав
материала, %
Объемный
вес, г/см3
Продолжитель
ность воздействия
потока, мин
Массовый
унос, %
Линейный
унос, мм/с
Ткань ТКК-2 (60%) 1,060 3,0 23,00 0,005300
+ БСЛ (40%) 1,048 5,0 43,60 0,006300
1,048 8,0 83,30 0,009100
Ткань УРАЛ (45%) 1,025 5,0 65,00 0,009000
+ ФН (55%) 1,025 8,0 82,30 0,009900
1,010 11,0 92,00 0,007700
Композиция 1* 2,200 20,0 0,94 0,000058
2,200 24,0 1,00 0,000069
1,810 20,0 Отсутст. Отсутст.
Композиция 1 1,710 20,0 » »
Композиция 2 1,860 20,0 0,40 »
1,880 20,0 0,25 »
Примечание. Звездочкой отмечены образцы, вырезанные из изделия.
Как видно, эрозионная стойкость неборосилицированных углеродных
композиционных материалов невысока. На восьмой минуте они теряют
более 80% веса и практически полностью исчерпывают свою несущую
способность. Анализ результатов испытаний боросилицированных углерод-
углеродных материалов (композиции 1 и 2) показал, что они обладают
высокой эрозионной стойкостью. Несмотря на то что продолжительность
нагрева боросилицированных композиций более чем в 2,5 раза превышала
время нагрева неборосилицированных, они практически не разрушались.
Массовый унос образцов, вырезанных из изделия, не превышает 1%, а
скорость линейного уноса составляет 0,000064 мм/с, что на два порядка
ниже, чем у неборосилицированных УУКМ.
Таким образом, процесс боросилицирования повышает эрозионную стой
кость исследуемых композиций, оцениваемую линейным и массовым уно
сом, в несколько раз.
В ы в о д ы
1. Исследованы закономерности изменения несущей способности и
эрозионной стойкости углерод-углеродных материалов в условиях односто
роннего нагрева потоком воздушной плазмы. Установлено, что процесс
92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
Несущая способность и эрозионная стойкость
боросилицирования повышает их эрозионную стойкость при работе в
высокотемпературных окислительных средах в несколько раз.
2. Показано, что несущая способность (о ср) композиции 1 при изгибе в
условиях одностороннего нагрева в течение 20 мин незначительно увели
чивается, а композиции 2 уменьшается, при растяжении композиционных
материалов с боросилицированной матрицей в условиях относительно дли
тельного (время нагрева порядка 20 мин) нагрева потоком воздушной плаз
мы условный предел прочности повышается.
3. Экспериментально оценено влияние глубокого (до — 130°С) охлаж
дения образцов боросилицированных углерод-углеродных композиционных
материалов на степень и характер изменения их несущей способности в
условиях последующего интенсивного одностороннего нагрева. Установле
но, что условный предел прочности при изгибе уменьшается. При растя
жении прочность композиции 1 практически не изменяется, а композиции 2
незначительно увеличивается.
Р е з ю м е
Наведено результати дослідження закономірностей зміни несучої здатності
та ерозійної стійкості вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів як із
чисто вуглецевою, так із боросиліцированою матрицею в умовах одно
стороннього нагрівання потоком повітряної плазми. Проведено порівняльну
оцінку досліджуваних характеристик деяких типів вуглецевих композицій
них матеріалів. Визначено ступінь впливу боросиліцирування вуглець-
вуглецевих композиційних матеріалів на їх працездатність при експлуатації
в конвективних потоках.
1. Терм оуст ойчивост ь пластиков конструкционного назначения / Под
ред. Е. Б. Тростянской. - М.: Химия, 1980. - 240 с.
2. Э скин Э. А., Ф едчук В. К., Х рист ов Г. П . Влияние температуры на
структуру и прочность углепластиков в интервале температур от 293 до
1000 К // Пробл. прочности. - 1986. - № 10. - С. 50 - 53.
3. К ост иков В. И ., К олесников С. А., Ш урш аков А. Н . Углеродные компо
зиционные материалы с керамическими матрицами // Конструкционные
материалы на основе углерода. - 1980. - № 15. - С. 78 - 88.
4. П исаренко Г. С., Эскин Э. А . Исследование несущей способности образ
цов и конструктивных элементов покрытий, работающих в условиях
совмещенного радиационного и конвективного нагрева // Исследования
материалов в условиях лучистого нагрева. - Киев: Наук. думка, 1975. -
С. 120 - 135.
Поступила 18. 05. 2000
ІББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 93
|