CC BY
123
УДК 661.666:539.4
К.Л. Глухова
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Пермь, Россия
А.В. Долгодворов
ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов», Пермь, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ЭТАПЕ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКА
Представлены методы изучения структуры, методы подготовки шлифов, описано оборудование и перечень программного обеспечения для подготовки шлифов.
В качестве объекта исследования выбран материал углепластик. Материал получен методом пресс-камерного формования ткано-выкладочно-прошивного каркаса, предварительно пропитанного термореактивным фенолформальдегидным связующим с последующей полимеризацией.
Исследования микроструктуры проводились на металлографическом инвертированном микроскопе МЕТАМ ЛВ-42 для образцов углепластика в отраженном свете по методике, аналогичной методике, применяемой в металловедении, при увеличении 50х-1000х. Фотосъемка микроструктуры образца проведена цифровой видеокамерой САМ V200 с разрешением 1296x972. Компактная цифровая камера для компьютерных микроскопов без дополнительных приспособлений размещается вместо окуляра в микроскопе и подключается к компьютеру. Данная камера может подключаться ко всем микроскопам с диаметром окуляра 23,2 мм (моно-, бино-, триноку-лярным) без специальных адаптеров.
В результате экспериментального исследования удалось выполнить качественный анализ структуры материала. Исследование показало, что в образцах наблюдается плотная, равномерная укладка углеродных нитей. В структуре присутствует также небольшое количество некрупных межниточных пор (макропор) удлиненной формы, заполненных связующим. Макропоры распределены равномерно по толщине образца. Распределение связующего внутри нитей материала неравномерное, по всему объему присутствуют участки с неплотной укладкой филамен-тов. Межфиламентное пространство частично заполнено связующим, присутствуют многочисленные микропоры, свободные от связующего.
Ключевые слова: углерод-углерод, углепластик, шлиф, шлифовка, полирование, микроструктура, микроскоп, пора, филамент, связующее.
K.L. Glukhova
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
A.V. Dolgodvorov
JSC "Ural Scientific Research Institute of Composite Materials", Perm, Russian Federation
INVESTIGATION OF THE COMPOSITE MATERIAL MICROSTRUCTURE AT THE STAGE OF CARBON-FIBER-REINFORCED POLYMER OBTAINING
The paper presents methods of the structure studying, methods of thin section preparations. A list of equipment and software used for thin sections preparation is described.
The investigation object is the carbon fiber material. Material is obtained by press molding tabbed-tissue-piercing laying carcass previously impregnated by thermosetting phenol formaldehyde binder with followed polymerization.
The studies of microstructure were conducted with metallographic inverted microscope METAM LP-42 for carbon fiber reinforced polymer samples in the reflected light by analogy with method applied in metallurgy at 50x-1000x magnification. The sample's microstructure photographing held a digital camera CAM V200 with a resolution of 1296x972. The compact digital camera for computer microscopes is installed in place of the microscope eyepiece without any additional devices and connected to a computer. This unit can be connected to all microscopes with eyepiece diameter 23,2 mm (mono, binocular, trinocular) without special adapters.
The result of experimental research is qualitative analysis of the material structure. The research showed that the samples had a dense and uniform stacking of carbon filaments. In the structure there are also a small number of medium-sized elongated pores between threads (macropores) filled with binder. Macropores are distributed uniformly over the sample thickness. Distribution of the binder inside material is not uniform. Inside the material throughout the volume there are regions with not tight laying filaments. The space between threads is filled with a binder partially. There are numerous micropores free of binder.
Keywords: carbon-carbon, carbon fiber reinforced polymer, ground joint, resurfacing, polishing, microstructure, microscope, pores, filament, binder.
Введение
Получение углерод-углеродного композита - процесс длительный и сложный [1]. Среди многочисленных технологических операций необходимо выделить основные: получение углепластика, карбонизацию углепластика, насыщение пироуглеродом карбонизованного углепластика [2]. Чтобы управлять этим процессом, необходимо получить данные о его определяющих факторах [3], среди которых важную роль играет микроструктура [4]. Исследование микроструктуры на основных технологических операциях получения углерод-углеродного композита [5] позволяет контролировать состав [6], схему армирования [7], технологические условия проведения режимов [8].
В процессе изготовления материала происходит переход от одного вида микроструктуры к другому [9], при этом пористая структура [10], образующаяся при карбонизации углепластика [11], наследует основные особенности исходной структуры углепластика и характеризуется широким спектром величины пор [12], в том числе и определяемых структурой наполнителя [13].
Целью работы является исследование микроструктуры углерод-углеродного композиционного материала на этапе получения углепластика.
В работе проведено исследование микроструктуры углепластика, полученного путем прошивки многослойного тканевого набора из слоев углеродной ткани, пропитанного фенолформальдегидным связующим и полимеризованного в воздушной среде [14].
Описаны основные технологические операции и материалы для получения углепластика, а также применяемое оборудование с указанием технических характеристик. Представлена методика подготовки образцов для проведения исследования. Выполнено качественное описание структуры полученного углепластика.
Методика получения образцов
Армирующая основа углерод-углеродного композиционного материала получена путем прошивки многослойного тканевого набора из слоев углеродной ткани полотняного переплетения. Каркас изготовлен из высокомодульного волокна по основе и утку ткани. Объемное армирование составлено системой углеродных нитей утка и основы ткани с дальнейшей прошивкой многослойного тканевого набора в перпендикулярном направлении высокопрочной низкомодульной углеродной нитью.
Армирующая основа пропитана фенолформальдегидным связующим путем погружения в пропиточную кювету с выдержкой 30 мин. После пропитки каркас помещен на прутки над кюветой для обтекания и подсушивания в течение 120 ч при температуре Т = 18.. .35 °С.
Для проведения режима полимеризации каркас был уложен в матрицу с целью обеспечения необходимых геометрических параметров заготовки.
Полимеризация выполнена в воздушной среде (азот) с помощью термошкафа ШСП-0,25-2,8-2Т (рис. 1), предназначенного для сушки
изделий после их обработки, пропитки и подготовки к технологическим процессам. Для сушки изделия предназначена рабочая камера, изготовленная из листов оцинкованной стали. Центробежный вентилятор, установленный на верхней крышке шкафа, обеспечивает принудительную циркуляцию воздуха в рабочей камере и позволяет устанавливать равномерную температуру по всему объему камеры. Для принудительной вентиляции рабочего пространства установлен патрубок с заслонкой. С помощью заслонки можно регулировать интенсивность сброса воздуха и паров из рабочей камеры. Нагрев осуществляется группами нагревательных элементов (ТЭН) до температуры 125 °С в течение 2 ч. Выдержка материала производится в течение 10 ч при температуре 125 °С. После выдержки проводят охлаждение с произвольной скоростью при температуре 18 °С.
Рис. 1. Термошкаф ШСП-0,25-2,8-2Т: 1 - центробежный вентилятор;
2 - патрубок с заслонкой; 3 - рабочая камера; 4 - пульт управления
После режима полимеризации на полученных образцах, вырезанных из припуска (зоны вырезки образцов), производится исследование материала для определения плотности, открытой пористости, степени полимеризации и массовой доли связующего.
В результате полимеризации углепластик имеет определенные физико-химические характеристики: степень отверждения материала выше 95 %, плотность 1,35 г/см , массовая доля связующего 25 %, пористость 10 %.
Методика подготовки образцов
В качестве образцов структуры материала были исследованы образцы углепластика, полученные по приведенной выше технологии.
Для предотвращения разрушения поверхностного слоя и завала кромок при приготовлении шлифа образец предварительно заливается в акриловую смолу быстрого отверждения DMT-20. Образец помещают в заливочную форму, надежно фиксируя на выложенном слое пластилина толщиной в 10 мм, заливают подготовленную акриловую смолу и оставляют для отверждения на полчаса при комнатной температуре.
Образцы получены механическим путем, размер образцов 20^20 мм, толщина 3 мм. Для дальнейшего исследование производят шлифование образца на абразивных шкурках различной зернистости. Грань образца, подвергаемую шлифованию, выравнивают для дальнейшего шлифования вручную. В процессе шлифования образец периодически промывают.
Для качественного результата шлифования изменяют направление движения образца с целью избавиться от рисок, оставшихся в результате шлифования предыдущей шкуркой.
Дошлифовку образцов производят на алмазных эластичных дисках. После каждой смены диска шлиф промывают проточной водой и протирают ватой, смоченной 95%-ным этиловым спиртом. После того как исчезнут грубые риски и царапины, а от тонких рисок уже нельзя будет избавиться, применяют полирование с помощью эластичных дисков. Полирование представляет собой конечную стадию в процессе приготовления зеркальной поверхности шлифа. Полированием удаляют оставшиеся после шлифования риски, мелкие дефекты поверхности. Полирование производится с помощью алмазных паст АСМ.
Подготовка микрошлифа углепластика, а именно вид поверхности образца после стадии шлифования, представлена на рис. 2.
На рис. 3 изображен образец после стадии дошлифовки. На подготовленной поверхности различимы все структурные составляющие углепластика.
Вид готового микрошлифа углепластика представлен на рис. 4.
Рис. 2. Вид поверхности образца углепластика после стадии шлифования: 1 - очертания связующего; 2 - межниточные поры; 3 - очертания углеродных нитей
Рис. 3. Вид поверхности шлифа углепластика после стадии дошлифовки: 1 - углеродные нити; 2 - межниточные поры, заполненные связующим
Рис. 4. Вид готового микрошлифа углепластика: 1 - связующее; 2 - отдельные филаменты углеродных нитей
Методика проведения исследования
Исследования микроструктуры проводились на металлографическом инвертированном микроскопе МЕТАМ ЛВ-42 (рис. 5) в отраженном свете по методике, аналогичной методике, применяемой в металловедении [15], при увеличении 50х-1000х. Металлографические микроскопы МЕТАМ ЛВ-42 являются новым поколением инвертированных металлографических микроскопов, предназначенных для исследования и фотографирования микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете в светлом поле при косом и прямом освещении, в темном поле, в поляризованном свете и по методу дифференциально-интерференционного контраста.
Фотосъемка микроструктуры образца проведена цифровой видеокамерой САМ У200 с разрешением 1296*972 (рис. 6). Компактная цифровая камера для компьютерных микроскопов без лишних усилий размещается вместо окуляра в микроскопе и подключается к компьютеру. Данная камера позволяет подключаться ко всем микроскопам с диаметром окуляра 23,2 мм (моно-, бино-, тринокулярным), не требуя специальных адаптеров.
8 7 б
Рис. 5. МЕТАМ ЛВ-42: 1 - окуляр; 2 - предметный столик; 3 - фонарь; 4 - паз для установки светофильтра; 5 - рукоятка открытия полевой диаграммы; 6 - рукоятка поперечного перемещения; 7 - фокусировочный механизм; 8 - паз для установки сеток; 9 - винт; 10 - тринокулярная насадка
Рис. 6. Цифровая цветная видеокамера CAM V200: 1 - объектив; 2 - USB-кабель
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Используемая в данной работе структура каркаса (рис. 7) со схемой укладки 0/90 позволяет получить ортогонально изотропный композиционный материал, что дает возможность получить в каждом элементарном объеме три взаимно перпендикулярные плоскости симметрии свойств.
Из рис. 7 видно, что на этапе изготовления углеродного каркаса структура материала представляет сложную систему, включающую в себя нити основы и утка исходной ткани, нити прошивки, межфила-ментные, межнитевые, а также межслоевые поры и поры, появившиеся в результате прошивки по третьей координате.
На рис. 8, а, б показаны снимки микроструктуры углепластика. Структура материала плотная, с равномерной укладкой углеродных нитей. Наблюдаются образования малого количества небольших межниточных пор (макропор) вытянутой формы, полностью наполненных связующим. Размеры макропор составляют в длину 0,20-1,30 мм, а в ширину - 0,03-0,3 мм. Наполнение образца макропорами и связующим распределено равномерно по толщине. Также на поверхности присутствуют достаточно крупные пласты связующего. Наблюдается неравномерное распределение связующего внутри нитей, кроме того, по всему объему образца внутри нитей присутствуют участки с неплотной, редкой укладкой филаментов. Пространство между филамен-тами заполнено связующим, также нужно отметить множество микро-пор размером до 0,05 мм, не зависящих от связующего.
Рис. 7. Схема каркаса структуры: 1 - нить утка; 2 - нить основы; 3 - нити прошивки; 4 - межслоевые поры; 5 - межфиламентные поры; 6 - межнитевые поры
Рис. 8. Микроструктура образца углепластика: 1 - макропоры; 2 - филаменты; 3 - микропоры; 4 - связующее
Заключение
Проведено исследование микроструктуры углерод-углеродного композиционного материала на этапе получения углепластика. Описаны основные технологические операции и оборудование для получения материала. Представлена методика подготовки образцов для проведения исследования. Получено качественное описание структуры углерод-углеродного композиционного материала на этапе получения углепластика. В ходе исследования выявлено, что для образцов углепластика характерна плотная, равномерная укладка углеродных нитей, присутствие межниточных пор (макропор) продолговатой формы, наполненных связующим. По всей толщине образцов равномерно рас-
пределены макропоры. Наблюдается неравномерное распределение связующего внутри нитей материла. По всему объему в нитях можно наблюдать неплотную укладку филаментов. Частично связующим заполнено пространство между филаментами. Также наблюдается большое количество микропор, не зависящих от связующего.
Библиографический список
1. Исследование влияния углеродного наноматерила на свойства композиционного материала на основе стекловолокна и эпоксидного связующего / А.А. Смердов, Л.П. Таирова, В.А. Селезнев, А.Э. Дворецкий, К.О. Борисевич, И.О. Борисевич, А.В. Крауклис, С.А. Жданок // Конструкции из композиционных материалов. - 2013. - № 4. - С. 34-40.
2. Диэлектрические свойства композиционных магнитодиэлек-триков, полученных волновой технологией / Р.Ф. Ганиев, Е.А. Брызгалов, В.В. Войтко, М.В. Прокофьев, В.С. Николаенко, С.С. Панин, Б.Ю. Ященко // Проблемы машиностроения и надежности машин. -2013. - № 5. - С. 106-111.
3. Черноус Д.А., Шилько С.В. Описание потери устойчивости в открытопористых материалах // Механика композиционных материалов и конструкций / Ин-т прикладной механики РАН. - 2005. - Т. 11, № 3. - С. 364-376.
4. Antsiferov V.N., Babushkin A.V., Sokolkin Yu.V. Features of powder material deformation with cyclic loading // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. - 2001. - Vol. 40, № 11-12. - Р. 569-572.
5. Long-term durability of glass-fiber-reinforced composites under operation in pulp and reactant pipelines / A.A. Chekalkin, A.V. Babushkin, A.G. Kotov, S.E. Shakleina // Mechanics of Composite Materials. - 2003. -Vol. 39, № 3. - Р. 273-282.
6. Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A., Kotov A.G. A structural mul-tiscale approach to the design of spatially reinforced carbon-carbon composites // Mechanics of Composite Materials. - 1995. - Vol. 31, № 2. - Р. 143-148.
7. Sokolkin Yu.V., Kotov A.G., Chekalkin A.A. Structural multistage model of the bearing capacity of carbon-carbon laminate shells // Mechanics of Composite Materials. - 1994. - Vol. 30, № 1. - Р. 55-60.
8. Sokolkin Yu.V., Postnykh A.M., Chekalkin A.A. Probabilistic model of the strength, crack resistance, and fatigue life of a unidirectionally reinforced fibrous composite // Mechanics of Composite Materials. - 1992. -Vol. 28, № 2. - Р. 133-139.
9. Postnykh A.M., Chekalkin A.A., Khronusov V.V. Structural-statistical model of the reliability and durability of a fiber composite // Mechanics of Composite Materials. - 1991. - Vol. 26, № 5. - Р. 633-637.
10. Дмитриенко Ю.И., Сборщиков С.В., Соколов А.П. Численное моделирование микроразрушения и прочностных характеристик пространственно-армированных композитов // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2013. - № 3. - С. 365-383.
11. Аношкин А.Н., Бабин А.Д., Лимонов С.В. Исследование теплового состояния сопла газотурбинного авиационного двигателя из углерод-углеродного карбидокремниевого композиционного материала // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. - № 1. - С. 75.
12. Структура и микромеханические свойства межфазных слоев полимерных матричных композитов / В.Э. Зганиевский, Ю.Г. Яновский, А.Н. Власов, Н.К. Балабаев, Ю.Н. Карнет // Механика композиционных материалов и конструкций / Ин-т прикладной механики РАН. - 1999. -№ 2. - С. 109-122.
13. Авдеенко А.М. Критерии микроразрушения неоднородных структур // Механика композиционных материалов и конструкций / Ин-т прикладной механики РАН. - 2001. - № 1. - С. 103-106.
14. Докучаев А.Г., Бушуев В.М. Выбор технологических параметров процесса уплотнения пироуглеродом вакуумным изотермическим методом карбонизованного углепластика при разработке углеродной основы под силицирование // Перспективные материалы. -2010. - № 9а. - С. 58-64.
15. Металловедение и термическая обработка стали. Т. 1. Методы испытаний и исследования: справочник / М.Л. Бернштейн [и др.]. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
References
1. Smerdov A.A., Tairova L.P., Seleznev V.A., Dvoretskiy A.E., Borisevich K.O., Borisevich I.O., Krauklis A.V., Zhdanok S.A. Issledovanie vliyaniya uglerodnogo nanomaterila na svoystva kompozitsionnogo materi-ala na osnove steklovolokna i epoksidnogo svyazuyushchego [Investigation of the influence of carbon nanomaterials on the properties of the composite material based on glass fibers and epoxy binder]. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov, 2013, no. 4, pp. 34-40.
2. Ganiev F.S., Bryzgalov E.A., Voytko V.V., Prokofev M.V., Niko-laenko V.S., Panin S.S., Yashchenko B.Yu. Dielektricheskie svoystva kompozitsionnykh magnitodielektrikov, poluchennykh volnovoy tekhnolo-giey [Dielectric properties of composite ferrites obtained wave technology]. Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin, 2013, no. 5, pp. 106-111.
3. Chernous D.A., Shilko S.V. Opisanie poteri ustoychivosti v ot-krytoporistykh materialakh [Description of open-buckling in materials]. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy. Institut prikladnoy mekhaniki Rossiyskoy akademii nauk. 2005, vol. 11, no. 3, pp. 364-376.
4. Antsiferov V.N., Babushkin A.V., Sokolkin Yu.V., Shatsov A.A., Chekalkin A.A. Features of powder material deformation with cyclic loading. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2001, vol. 40, no. 11-12, pp. 569-572.
5. Chekalkin A.A., Babushkin A.V., Kotov A.G., Shakleina S.E. Long-term durability of glass-fiber-reinforced composites under operation in pulp and reactant pipelines. Mechanics of Composite Materials, 2003, vol. 39, no. 3, pp. 273-282.
6. Sokolkin Yu.V., Chekalkin A.A., Kotov A.G. A structural mul-tiscale approach to the design of spatially reinforced carbon-carbon composites. Mechanics of Composite Materials, 1995, vol. 31, no. 2, pp. 143-148.
7. Sokolkin Yu.V., Kotov A.G., Chekalkin A.A. Structural multistage model of the bearing capacity of carbon-carbon laminate shells. Mechanics of Composite Materials, 1994, vol. 30, no. 1, pp. 55-60.
8. Sokolkin Yu.V., Postnykh A.M., Chekalkin A.A. Probabilistic model of the strength, crack resistance, and fatigue life of a unidirectionally reinforced fibrous composite. Mechanics of Composite Materials, 1992, vol. 28, no. 2, pp. 133-139.
9. Postnykh A.M., Chekalkin A.A., Khronusov V.V. Structural-statistical model of the reliability and durability of a fiber composite. Mechanics of Composite Materials, 1991, vol. 26, no. 5, pp. 633-637.
10. Dmitrienko Yu.I., Sborshhikov S.V., Sokolov A.P. Chislennoe modelirovanie mikrorazrusheniya i prochnostnykh kharakteristik pros-transtvenno-armirovannykh kompozitov [Numerical simulation of microfracture and strength characteristics of spatially reinforced composites]. Mechanics of composite materials and structures, 2013, no. 3, pp. 365-383.
11. Anoshkin A.N., Babin A.D., Limonov S.V. Issledovanie teplovogo sostoyaniya sopla gazoturbinnogo aviatsionnogo dvigatelya iz
uglerod-uglerodnogo karbidokremnievogo kompozitsionnogo materiala [Investigation of the thermal state of the gas turbine aircraft engine nozzle of a carbon-carbon silicon carbide composite material]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnikPovolzhya, 2012, no. 1, p. 75.
12. Zganievskiy V.E., Yanovskiy Yu.G., Vlasov A.N., Balabaev N.K., Karnet Yu.N. Struktura i mikromekhanicheskie svoystva mezhfaznykh sloev polimernykh matrichnykh kompozitov [Structure and micromechani-cal properties of interfacial layers of polymer matrix composites]. Mekhani-ka kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy. Institut prikladnoy mekhani-ki Rossiyskoy akademii nauk. 1999, no. 2, pp. 109-122.
13. Avdeenko A.M. Kriterii mikrorazrusheniya neodnorodnyx struktur [Criteria microfracture inhomogeneous structures]. Mechanics of composite materials and structures. Institut prikladnoy mekhaniki Rossiyskoy akademii nauk. 2001, no. 1, pp. 103-106.
14. Dokuchaev A.G., Bushuev V.M. Vybor tekhnologicheskikh par-ametrov protsessa uplotneniya pirouglerodom vakuumnym izotermicheskim metodom karbonizovannogo ugleplastika pri razrabotke uglerodnoy osnovy pod silitsirovanie [Selection process parameters pyrocarbon seal vacuum isothermal method carbonized carbon fiber in the development of the carbon substrate under siliconising]. Perspektivnye materialy, 2010, no. 9a, pp. 5864.
15. Bernshteyn M.L. [et al.]. Metallovedenie i termicheskaya obra-botka stali. Metody ispytaniy i issledovaniya [Metallurgy and heat treatment of steel. Test methods and studies]. Moscow: Metallurgiya, 1983. 352 p.
Получено 15.03.2014
Об авторах
Глухова Ксения Леонидовна (Пермь, Россия) - студентка 4-го курса кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ksunya1991@list.ru).
Долгодворов Александр Викторович (Пермь, Россия) - инже-нер-контруктор ОАО «Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов» (614000, г. Пермь, ул. Новозвягинская, 57, e-mail: sanya_dvor@mail.ru).
About the authors Glukhova Ksenya Leonidovna (Perm, Russian Federation) - 4-th year student, Department of Mechanics of Composite Materials and Constructions, Perm National Research Polytechnic University (29, Komso-molsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: ksunya1991@list.ru).
Dolgodvorov Aleksandr Viktorovich (Perm, Russian Federation) -Constructor Engineer of JSC "Ural Research Institute of Composite Materials" (57, Novozvyaginskaya, Perm, 614000, Russian Federation, e-mail: sanya_dvor@mail .ru).
