CC BY
228Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 678
ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Д. В. Егоров
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: egorov-d@iss-reshetnev.ru
Рассмотрено влияние криогенных температур на механические свойства углеродных композитов с различными типами смол и волокон.
Ключевые слова: композиты, композитные материалы, криогенные температуры.
LOW TEMPERATURE IMPACT ON COMPOSITE MATERIALS
D. V. Egorov
JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: egorov-d@iss-reshetnev.ru
The effect of cryogenic temperatures on the mechanical properties of the carbon composites with various types of resins and fibers is studied.
Keywords: composites, composite materials, cryogenic temperatures.
Работа включает в себя оценку прочности на ком- Модуль Юнга параллельно направлению волокон позитов при низких температурах и оценку создания в композите из полугибкой смолы (CY221/HY979) и микротрещин в композитах при криогенных темпера- высокомодульного волокна (M40A) возрастает от турах Микротрещины увеличивают проницаемость 132 ГПа при комнатной температуре до 141 ГПа при композитов. Также для изучения роста проницаемо- 77 К, что означает прирост на 7 %. С жесткой смолой сти из-за микротрещин измеряется проницаемость (LY556/HY917) прирост составляет всего 2 %. Коэф-композита в низкотемпературной жидкости [1]. фициент Пуассона полугибкой смолы с T300 стано-
Композиционные материалы идеально подходят для вится на 6 % меньше, в то время как для жесткой смо-элементов конструкций, где необходимы высокая проч- лы она остается постоянной, при изменении темпера-ность и жесткость в весовых соотношениях. Летатель- туры от 293 К до 77 К. Прочность при изгибе компо-ные и космические аппараты являются типичными зита в направлении волокон возрастает от 1700 структурами, в которых композиционные материалы до 2010 МПа, что составляет 18 %. Деформация также экономически эффективны [3]. Поэтому композиты больше при 77 К чем при комнатной температуре. являются наиболее перспективными материалами Она возросла на 10 %. в создании космических аппаратов для изучения дальнего космоса и работы в особых условиях, как, к примеру, в обсерватории «Миллиметрон», рабочая аппаратура которого охлаждается до температуры 4 К [4].
Механические свойства композитного материала, такие как модуль сдвига, подвержены влиянию криогенных температур, которые вызывают появление микротрещин, что может привести к серьезной деградации механических свойств [1]. Развитие микротрещин в композитах должно серьезно учитываться при проектировании и изготовлении элементов космических аппаратов.
Были рассмотрены материалы с различными свойствами: высокопрочное волокно T300 и высокомодульное волокно M40A. Армирование было однонаправленным. Смолы выбраны следующие: полугибкая эпоксидная CY221/HY979 и жесткая эпоксидная LY556/HY917. Были измерены модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона v, деформация eF и предел прочности при изгибе ctf. Результаты измерений представлены в таблице ниже.
Решетневскуе чтения. 2014
Механические свойства однонаправленных композитов при 293 К и 77 К
Матрица Волокно Т, К Ориентация волокна Е, kN. mm2 V CTF Sf
CY 221/ T300 293 II 132 0,34 1 700 1,22
HY 979 77 II 141 0,32 2 010 1,34
M40 A 77 11,45 0,012 42,2 0,37
LY556/HY979 T300 293 II 135 0,31
77 II 137 0,31
Механические свойства перпендикулярно к волокну, измеренные при 77 К являются низкими по сравнению с ними при параллельной укладке волокна. Модуль Юнга составляет всего 8 %, коэффициент Пуассона 4 %, прочность при изгибе 2 % и деформация 28 % значений для параллельных волокон [2]. Тем не менее видно значительное увеличение значений из-за снижения температуры. Тепловое расширение полугибкой смолы с высокомодульным волокном показано ниже (см. рисунок). Для большинства механических свойств однонаправленные углеродные волокна армированных композитов показали более высокое значение при низких температурах. Тест на сдвиг небольших образцов композитов показывает, что прочность на сдвиг увеличивается с понижением температуры.
Низкие температуры могут вызвать многочисленные механизмы разрушения в композитах, среди которых поперечное растрескивание матрицы, нарушение межслоевого промежутка, отслоение и разрушение волокна. Криогенные температуры увеличили прочность композитов, но при этом сгенерировали микротрещины в структуре из-за разницы теплового расширения между матрицей и волокном. Тест акустической эмиссии при показывает, что скорость генерации микротрещин увеличивается с уменьшением температуры.
Библиографические ссылки
1. Боулс Д. А. Влияние микротрещин на тепловое расширение композитных материалов // Журнал композиционных материалов. 1984. Vol. 17. С. 73-187.
2. Камахорт Р. и К. Влияние термоциклирования на углерод-эпоксидные композиты. ASTM STP 602 // Американское общество по испытанию и материалам. 1976. С. 37-49.
3. Фахми А., Каннингем Т. Г. Исследование термической усталости на волокна композиционных материалов : итоговый отчет НАСА CR-2641. 1976.
4. Мышонкова Н. В. и др. Технический проект на БКНА-М : пояснительная записка. 2012.
References
1. Bowles D. A. (1984). Effect of microcracks on the thermal expansion of composite laminates // J. of composite materials, vol. 17, p. 73-187.
2. Camahort J. L., Rennhack E. H., Coons W. C. (1976). Effects of thermal cycling environment on graphite/epoxy composites. ASTM STP 602, American society of testing and materials, p. 37-49.
3. Fahmy A., Cunningham T. G. (1976). Investigation of thermal fatigue in fiber composite materials // Final report NASA CR-2641.
4. Myshonkova N. V. et al. (2012). Technical project OBSI-M. Explanatory note.
© Егоров Д. В., 2014
УДК 531.7:629.78
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМОДЕФОРМАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
П. С. Завьялов1, Е. С. Сенченко1, Ю. В. Чугуй1, В. М. Михалкин2, В. И. Халиманович2
1Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН Российская Федерация, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41. E-mail: chugui@tdisie.nsc.ru
2 ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Для решения задачи измерения деформаций узлов и деталей космических аппаратов при значительных перепадах температур (до криогенных) рассматривается использование бесконтактных оптико-электронных систем типа 3D-PulsESPI Q-600 фирмы Dantec Dynamics или PulsESPI системы фирмы Steinbichler Optotechnik GmbH.
Ключевые слова: термодеформации, спекл-интерферометрия, размеростабильный углепластик, термовакуумная камера, криогенные температуры.
