НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 677.4

МГТУ им. Н.Э. Баумана

semenovbi@bmstu.ru

rapokhina@yandex.ru

annsedykh@yandex.ru

В настоящее время в аэрокосмической технике востребованы композиционные материалы (КМ), способные работать в широком интервале рабочих температур и давлений без изменения формы и размеров, потери теплозащитных характеристик изделия. Примеры изделий – это новое поколение пилотируемых и беспилотных многоразовых космических аппаратов (МКА), совершающих полет с высокими скоростями в атмосфере. Тепловая защита МКА строится на использовании так называемых «горячих» конструкций, которые сочетают в себе силовые и теплозащитные функции благодаря совмещению термостойких углерод-керамических КМ (УККМ) с легкими керамическими теплоизоляторами. По этой схеме из УККМ были изготовлены опытные конструкции носовых обтекателей, передние кромки крыльев, панели корпуса и управляющих поверхностей МКА «Hermes» (ESA), Х-38 (CША) и «Hopper» (EADS Company).

Необходимые качества композитной конструкции формируются в многоступенчатом процессе ее производства, поэтому актуальна постановка всесторонних (начиная с микроуровня) исследований влияния технологических факторов (термодеформационные циклы, исходное сырье, рабочие среды и др.) на структурные характеристики и физические свойства материалов в широком диапазоне эксплуатационных воздействий.

Дефекты являются неотъемлемой частью практически любого материала и, соответственно, любой конструкции. Наличие дефектов в КМ не всегда может служить препятствием к безотказной эксплуатации конструкции. Степень опасности дефектов должна быть установлена в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований. Управление качеством изделий из КМ строится на анализе причин образования различного рода дефектов и изучении их эволюции на стадиях жизненного цикла изделия.

В композитах физико-механические и, в первую очередь, прочностные свойства, формируются на уровне структуры армирующих элементов. Построение математических моделей для описания эволюции дефектных структур и механизмов разрушения изделий из волокнисто-армированных КМ ведут с учетом этих иерархических уровней (рис. 1) и начинают с входного контроля филамента (элементарного волокна).

Рис. 1. Иерархия структурных уровней

Разброс свойств компонентов, состояний на поверхностях раздела компонентов могут оказывать существенное влияние на характеристики материала. В качестве функций, характеризующих свойства армирующих волокон и формируемых из них композитов, могут быть использованы плотность распределения вероятностей, интегральная функция распределения и, связанная с последней, функция надежности характеристик композита. Плотность распределения вероятностей разрушения характеризует реальные свойства изучаемого объекта. В качестве этой функции могут быть использованы нормальное распределение, логарифмически нормальное распределение, распределение Вейбулла и др. Для описания прочностных характеристик армирующих волокон и композитов наиболее подходящим в качестве модели материала оказалось распределение Вейбулла,  поскольку оно основано на теории самого слабого звена.

Особенности разрушения композитов, связанных с многообразием ситуаций, возникающих на уровне структуры армирующих элементов (субмикродефектность и дробление волокон, расслоение по границам  компонентов, растрескивание матрицы), привели к созданию специализированных структурных моделей и структурно-статистического подхода к анализу разрушения армирующих наполнителей. Источниками информации о прочности и реальных микромеханизмах разрушения  армирующих элементов и КМ являются результаты механических испытаний образцов, физические, фрактографические и металлографические исследования испытываемых образцов на различных стадиях производства КМ, физические модели дефектов структуры волокна.  Структурно-статистический подход к анализу результатов испытаний позволяет превратить базу данных в базу знаний об исследуемом объекте.

В рамках проводимой работы по изучению и моделированию структурных особенностей, определяющих физико-механические характеристики элементарных углеродных волокон, используется переход от базы данных о волокне к базе знаний и моделированию закономерностей разрушения пучка волокон.

Эксперимент проводили на универсальной разрывной машине «INSTRON» малой мощности, позволяющей регистрировать силу в интервале 0 – 100 Н (0 – 10 кг). Рекомендуемая скорость растяжения 0,1 – 0,01 мм/мин. База (расстояние между зажимами)  была  выбрана исходя из рекомендаций ГОСТ–6943.5–79, а измерение диаметра образца проводили по ГОСТ–6943.2–79.

На основе полученных данных вычислены среднее значение прочности углеродного монофиламента (на базе 10 мм), коэффициент вариации прочности и найдены все необходимые аналитические описания, соответствующие модели Вейбулла. Вычисление моды распределения показывает, что экспериментальное значение средней прочности распределения, т.е. наиболее вероятное значение прочности волокна, которым следует воспользоваться при подготовке базы данных о прочности монофиламента, достаточно близки друг к другу. На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости вероятностей разрушения и их  аналитические описания для  300 филаментов.

Информация об углеродном монофиламенте нити УКН-5000  представлена в Таблице 1.  Она составляет основу базы знаний об объекте после изучения 300 филаментов произведенных ранее (N=300) и дополнительных 150 филаментов (N=450).Увеличение выборки позволяет внести корректировки в исследуемые характеристики и вероятности распределения.

Таблица 1. Результаты статистического анализа величин, полученных при механических испытаниях на прочность при растяжении углеродных волокон

В результате анализа проведенных механических испытаний при различных количествах экспериментов (300 и 450 шт.) было выявлено незначительное расхождение в описании по модели Вейбулла. Установлено, что мода распределения совпадает при N = 300 и N = 450, но может несколько измениться коэффициент вариации распределения и, соответственно, аналитическая модель вероятности разрушения монофиламентов.

Использование предлагаемого математического алгоритма должно позволить прогнозировать отдельные закономерности развития и деградации компонентов и внутренней структуры в реальных изделиях из армированных КМ с каркасной и слоисто-волокнистой структурой во время изготовления и эксплуатации при воздействии как одноразовых, так и повторяющихся тепловых и механических нагрузок (рис. 3).

Составлена первичная база данных об углеродной нити, поставляемой поставщиком продукции. Получена база знаний об углеродной нити на основе построенных математических зависимостей, опирающихся на экспериментальные данные.

Рис. 3. Микроструктура и геометрия пучков углеродных волокон, формируемые на втором иерархическом уровне.

Статический анализ результатов испытаний углеродных волокон позволил определить параметры уравнений расчета интегральной и дифференциальной вероятностей разрушения углеродных волокон марки УКН-5000, являющихся начальным уровнем модели для анализа эволю­ции дефектных структур и реальной структуры композитов.

Список используемой литературы

1. Отчет по теме «Разработка методов контроля эволюции дефектов структуры перспективных композиционных материалов». / МГТУ. Руководитель темы Б.И. Семенов. Исполнители Михайловский К.В., Рапохина С.С., Седых А. М. ГР ╧ БП-4/10. М., 2010. 99 с.