CC BY
26
УДК 677-486.1
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ
Ю.В. АПАКИДЗЕ*, A.A. ТИХОНОВ*, A.B. УТКИН**, Б.Р. ГАФАРОВ***
* ФГУП "МИТ", Москва, Россия ** ИГ1ХФ РАН, Москва, Россия *** ФЦДТ «Союз» , Москва, Россия
АННОТАЦИЯ. Приведены результаты экспериментальных исследований поведений углерод-углеродных материалов при ударно-волновом нагружении. Полученные результаты показывают высокую чувствительность структуры фронта ударных волн и откольной прочности к структуре композиционных материалов.
Композитные материалы на основе углеродных волокон находят широкое применение в качестве элементов конструкций, испытывающих высокие силовые и тепловые нагрузки. Поэтому прогнозирование результатов импульсного воздействия на эти конструкции является важной практической задачей, для решения которой требуется знание реологических и теплофизических свойств вещества. Однако имеющийся набор опытных данных о поведении композитных материалов при ударно-волновом воздействии крайне малочисленен [1-4]. В данной работе проведены эксперименты по исследованию структуры фронта ударных волн и откольной прочности в трех различных углерод-углеродных материалах (УУМ) при давлении порядка 2 ГПа (20 кбар).
УУМ представляют собой объемно-армированные композиты, отличающиеся между собой способом плетения углеродных волокон в пирографитовой матрице.
Схема экспериментов приведена на рис. 2. С помощью плосковолнового взрывного генератора 1 в стальном экране 2 диаметром 120 мм и толщиной 20 мм формировалась ударная волна амплитудой 9 ГПа и длительностью около 10 мкс. Исследуемые образцы 3 имели размер 60x60 мм, толщину 5-10 мм, находились в контакте с экраном и были ориентированы таким образом, чтобы плоскость расположения армирующих углеродных волокон была параллельна фронту ударной волны. Структура фронта ударной волны и величина откольной прочности определялись по скорости свободной поверхности. Для регистрации скорости использовался лазерный интерферометр VISAR [5] с постоянной интерферометра, равной 80,8 м/с, что позволило провести измерения с точностью ± 2 м/с и временным разрешением около 3 не. Для отражения лазерного лу ча, на поверхность образца наклеивалась алюминиевая фольга 4 толщиной 7 мкм. Луч интерферометра фокусировался в пятно диаметром около 100 мкм.
УУМ с крупной структурой
УУМ со средней структурой
УУМ с мелкой структурой
Рис. 1. Структура образцов УУМ
Рис. 2. Схема экспериментов и профиль скорости свободной поверхности экрана
Время, мкс
Для определения параметров ударной волны, входящей в образец, предварительно проведены измерения скорости свободной поверхности стального экрана при отсутствии образца (рис.2). Видно, что в экране формируется двухволновая структура, обусловленная упруго-пластическими свойствами стали (СтЗ), поэтому сначала на свободную поверхость выходит упругий предвестник (амплитуда которого равна 1.3 ГПа), а примерно через 0.6 мкс пластическая волна сжатия. Если между экраном и образцом обеспечить акустический контакт, то такая двухволновая конфигурация будет входить в образец. В действительности же, из-за наличия воздушной прослойки, упругий предвестник затухает и в начальный момент времени в образце формируется ударный скачок с характерной шириной около 100 не. На рис. 2 видно также, что после достижения максимума, скорость свободной поверхности экрана начинает уменьшаться, что обусловлено волной разгрузки со стороны плосковолнового генератора. В результате, в экране возникают растягивающие напряжения, что приводит к разрушению - отколу, проявляющемуся на профиле скорости свободной поверхности в виде характерного от-кольного импульса и последующих колебаний скорости. Величина откольной прочности СтЗ, найденная из данного опыта, равна 1.5 ГПа.
Результаты экспериментов с УУМ приведены на рис.3.
Время, МКС
Рис. 3. Профили скорости свободной поверхности композитов
Там же указаны начальная плотность материала ро и скорость звука со, измеренная на ультразвуковой установке с использованием сигналов высокой амплитуды (-1 бар). Для мелко- и среднеструктурного материалов скорость звука имеет величину, типичную для композитов подобного типа, около 3 км/с, тогда как в крупноструктурном материале зарегистрирована аномально высокая скорость звука - почти 7 км/с, что гораздо больше, чем у всех подобных материалов. Одна из гипотез, объясняющих столь высокую скорость распространения возмущений - это то, что малые возмущения распространяются вдоль углеволокна, имеющего, как известно, очень высокий модуль упругости. Однако даже в этом случае дополнительно необходимо предположить, что значительная доля волокон ориентирована под большими углами к плоскости образца.
Отличительной чертой всех трех профилей скорости является наличие предвестника, амплитуда которого монотонно возрастает от нуля до максимального значения равного примерно 0.2 ГПа для мелко- и среденеструктурного, и 0.5 ГПа для крупноструктурного. Причем, его наличие, как уже отмечалось, не связано с упругим предвестником в стальном экране, а обусловлено механическими свойствами композиционных материалов. Вслед за предвестником регистрируется относительно резкое нарастание скорости до максимального значения в мелко- и среднеструктурном материалах. В материале с крупной структурой не удалось записать полностью фронт ударной волны, поскольку возмущения плоскостности волны за счет структуры материала или его разрушения на фронте оказались слишком высоки. Характерная ширина фронта ударной волны при заданных условиях нагружения определяется структурой вещества и, как видно из рис.3, мелкая и средняя структуры в этом смысле существенно отличаются друг от друга: ширина фронта для средней структуры превышает 1 мкс, тогда как для мелкой она примерно вдвое меньше. Столь заметное различие является следствием того, что мелкоструктурный материал имеет отчетливо выраженную продольно-ориентированную структуру, тогда как среднеструктурный - более поперечно-ориентирован. Если для описания эволеоции волн малой амплитуды в этих материалах применять модель вязкой жидкости, то их коэфициенты вязкости также будут отличаться вдвое [6]. Вероятно, более корректными для описания подобных материалов являются релаксационные модели [7], основной параметр которых - время релаксации -также извлекается из анализа структуры фронта ударной волны.
Выполненные оценки являются корректными лишь при выполнении условия стационарности ударных волн, что вообще говоря требует дополнительной проверки, в частности, проведения измерений при изменении толщины образцов. Это обстоятельство не является принципиальным для оценки ширины фронта, но без подобных экспериментов сложно обсуждать природу предвестника, отчетливо регистрируемого для всех трех композитов. Если, например, он «убегает» вперед, то следует говорить о наличии особенности на ударной адиабате, аналогичной пределу текучести для упруго-пластических сред. Причем ответить на вопрос, будет ли этот предел действительно
связан с обратимым переходом материала в область пластического течения или он совпадает с порогом разрушения на сжатие, можно лишь в результате выполнения достаточно сложных и многочисленных экспериментов. Если же предвестник образует единый стационарный комплекс, то его формирование обусловлено особенностях кинетики релаксационных процессов во фронте ударной волны, которые также могут носить как обратимый, так и необратимый характер.
Проведенные эксперименты наряду с шириной фронта ударной волны позволяют определить величину откольной прочности в средне- и мелкоструктурном материале. Поскольку входящие в образцы импульсы сжатия являлись треугольными (рис.1), то их взамодействие со свободной поверхностью приводит к растягивающим напряжениям, максимальное значение которых (откольная прочность) определялось по формуле: а=0.5роС()Д\'У - где А XV - перепад скорости свободной поверхности между максимумом и ее значением перед откольным импульсом (рис.3). Любопытно отметить, что, как и ширина фронта ударной волны, откольная прочность среднеструктурного материала в два раза больше, чем мелкоструктурного. Это может быть отражением того факта, что скорость образования несплошностей при импульсном растяжении лимитируется скоростью вязкого роста пор [8] и если предположить, что ширина фронта ударной волны и скорость роста пор определяются одной и той же вязкостью, то полученный результат является очевидным. Отметим, что материалы сохранили, по крайней мере частично, прочность на сжатие.
Для дополнительного анализа механического поведения материалов также были проведены измерения диаграмм деформирования при статическом сжатии. Результаты представлены на рис. 4.
Отметим, что поскольку сжатие происходило параллельно плоскости армирования, то заметной поперечной деформации не наблюдалось (коэффициент Пуассона близок к нулю). Сжатие проводилось до появления первых признаков разрушения. Крупноструктурный образец разрушился до отдельных прядей и рассыпался, на сред-неструктурном было заметно расслоение между слоями армирования, а мелкоструктурный сохранился практически без изменений, что наблюдается и по кривым разгрузки. Материалы оказались сравнительно «мягкими» по сравнению с монолитными материалами - модуль Юнга составил порядка 0,7 ГПа и скорость звука, вычисленная по
соотношению с = ^Е/р получилась на уровне 0,7 км/с, что типично для высокопористых материалов. Отклонения на начальных участках и в начале кривых разгрузки связаны с особенностями испытательной машины; поведение материалов при сжатии практически линейно вплоть до нагрузок порядка 1-1,5 кбар и очень высокой деформации - 20-25%, причём мелкоструктурный материал практически не потерял сопротивления на сжатие.
2000-
УУМ со средней структурой Статическое сжатое. р=1.43 г/см2 <=> пористость - 40% Е=0.72ГПа. <=> - 0.7км/с
УУМ с мелкой структурой Статическое сжатие р=1,42 г/см2 пористость - 40% Е=0,634 ГПа
О 5 10 15 20 25 30
10 15 20 25 ^ %3
Рис. 4. Диаграммы статического сжатия
Сопоставление ударноволновых и статических данных по сжатию материалов говорит о том, что наблюдаемый на фронте ударной волны предвестник действительно имеет упругий характер, поскольку лежит в том же диапазоне амплитуд, что и статические пороги начала разрушения - по-видимому, происходит разрушение пироуглерод-ной матрицы; однако в среднеструктурном материале, а в особенности мелкоструктурном, поперечно ориентированные волокна остаются неразрушенными и при амплитудах волны - 20 кбар. Крупная же структура плетения волокна не препятствует разрушению, причем за счёт связующего, а не волокна, которое в условиях сжатия, как статического, так и ударно-волнового, будет подвергаться большему деформированию.
Таким образом, проведенные эксперименты показывают высокую чувствительность структуры фронта ударных волн и откольной прочности к структуре композитных материалов, а подходы механики сплошных сред, разработанные для описания монолитных материалов при ударно-волновых воздействиях, применительно к композитным, а в особенности к пористым, нуждаются в серьёзной доработке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дудка К.К., Преображенский И.Н., Шестаков A.C. // Мех. комп. мат. 1983. №4. С.624.
2. Фитцер Э. Углеродные волокна и углекомпозиты. М.: Мир, 1988.
3. Батьков Ю.В., Новиков С.А. Синицын J1.H., Чернов A.B. // Мех. комп. мат. 1979. №2. С.322.
4. Бушман A.B., Ефремов В.П., Ломоносов И.В., Уткин A.B., Фортов В.Е. // ТВТ, 1990. Т.29. С.1232.
5. Канель Г.И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1986.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.
7. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982.
8. Уткин A.B. // ПМТФ, 1992, №6. С.82.
SUMMARY. The results of experimental researches of carbon-carbonic composit material by shock-wave load are given. The results show a high sensitivity of shock wave structure and slabbing durability to composit material structure.
