Способ определения разориентации углеродных волокон в композиционных материалах Советский патент 1974 года по МПК G01N27/02 

1

Изобретение относится к неразрушающим методам определения структуры композиционных материалов, армированных углеродными волокнами. Материалы, армированные углеродными волокнами, находят все более широкое применение в машиностроении, авиационной, ракетной технике благодаря целому ряду уникальных свойств, таких как высокая механическая прочность, стойкость к воздействию высоких температур и агрессивных химических сред, легкость, износостойкость и др. Очень важным преимуш,еством таких материалов является возможность создания на их основе изделий, обладаюш,их различной степенью анизотропии теплопроводности, электропроводности, упругости и т. д.

Одним из основных способов получения композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, является прессование смеси волокон с металлами, полимерами, нефтяными и каменноугольными пеками и др. Прессование проводят при температуре размягчения связуюшего, которая как правило значительно ниже температуры- обработки углеродных волокон. Ввиду того, что при определенном отношении диаметра волокон к его длиие (примерно 1/1000) увеличение длины волокна не приводит к упрочнению и

незначительно изменяет другие свойства композиционного материала, часто применяют короткие (1-3 мм) волокна. При армировании короткими волокнами возникающие при

прессовании направленные течения и усадки приводят к тому, что волокна в некоторой степени ориентируются, и распределение волокон в заготовке имеет ось симметрии, совпадающую с направлением приложения давления. Преимущественное направление осей

волокон в этом случае в плоскости,

перпендикулярной направлению приложения

давления.

Другим распространенным способом получения композиционных материалов является пропитка однонаправленных или направленных под различными углами пучков углеродных волокон металлами, смолами и др. Распределение волокон в заготовке и в этом случае будет иметь ось симметрии. Свойства композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, существенно зависит от ориентации волокон в матрице. Из-за этого становится очень важной количественная характеристика степени ориентации волокон в композиционном материале.

Известен способ определения структуры композиционных материалов, армированных углеродными волокнами, согласно которому при помощи ультразвукового сканирования нолучают двумерное изображение образца, которое исиользуют для оиределения ориентации волокон. Однако этот метод дает количественную оценку лишь для материалов, армированных однонаправленными или направленными нод определенным углом друг к другу пучками волокон. В более сложном случае распределения волокон в матрице композиционного материала этот способ может дать лишь качественную оценку. Даже при однонаправленных, но слегка разориентированных относительно оси симметрии волокнах получить точную оценку разориентации затруднительно. Целью предлагаемого способа является повышение точности измерений. Для этого измеряют анизотропию магнитной восприимчивости углеродного волокна и композиционного материала, армированного такими же волокнами, и по углу между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице композиционного материала судят о разориентации. В качестве примера, характеризующего разориентацию волокон используют средний квадрат синуса угла между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице (). Магнитную анизотропию определяют по известному методу Крищнана, который дает разность двух главных магнитных восприпмчивостей на грамм веса. Ввиду того, что магнитная восприимчивость является симметричным тензором второго ранга, анизотропию магнитной восприимчивости углеродного волокна связывают с анизотропией магпитной восприимчивости таких же волокон, распределенных в матрице композиционного материала следующим образом: sinQ. 4- 1где sin Q - средний квадрат синуса угла между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице; - анизотропия магнитной восприимчивости волокон в матрице композиционного материала (единица СГС на грамм); Л.Х/ - анизотропия магнитной восприимчивости волокна (единица СГС на грамм). определяют из магнитной анизотропии образца композиционного материала, используя известное весовое содержание волокон в образце, причем магнитную анизотропию образца следует понимать как восириимчивость вдоль оси симметрии минус восприимчивость перпендикулярно оси волокна и перпендикулярно оси. Формулу (1) иолучают при помощи выражений Эйлера с учетом известных особенностей структурного строения углеродных волокон. Для образцов композиционного материала, в которых преимущественное направление осей волокон совпадает Л хЬ /И „ ,-, С ОСЬЮ симметрии образца,,0. В этом А X случае sin Q изменяется от О, что соответствует минимальной разориентации волокон, до 2/3, что соответствует максимальной разориентации (изотропное распределение волокои). В тех образцах, где преимущественное направление осей волокон лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии М. т-г разца При этом для максимальНОЙ разориентации значение получается равным 2/3, а минимальной разориентации - единице. Благодаря тому, что предлагаемый способ осиован на относительных измерениях анизотропии образца композиционного материала и анизотропии волокна, погрещность в определении сравнительно невелика. Абсолютная (.хЬМ погрещность отношения составляет 7-10. Отсюда абсолютная погрешность в области минимальных значений угла разориептации составляет 5-10, что соответствует arc К sin Q 3. При значении sin Q, ириближающегося к 1, абсолютная погрешность его определения 2,5-10. Пример. Определяли углеродных волокон в композиционном материале, полученном путем прессования в матрице смеси углеродных волокон длиной 2-3 мм и диаметром около 10 мк со средпетемиературным каменноугольным пеком (температура размягчения 65°С) и измельченным нефтяным коксом. Прессование проводили при температуре 120°С и давлении 300 кг/см. В одном из образцов, полученных при этой технологии, было 40% углеродных волокон, 30% кокса и 30% пека, а во втором соответственно 60%, 10% и 30%. Углеродные волокна получили из полиакрилопитрильных волокон путем термообработки в инертной среде до 3000°С. Измеряли анизотропию магнитной восприимчивости углеродных волокон и образцов композиционного материала, армированного такими же волокнами. Размеры образцов композиционного материала были 10X8X2 мм. Анизотропия магнитной восприимчивости составила 8,91X10 ед. СГС/г для углеродного волокна; 1,67X10- ед. СГС/г для образца с 60% волокон и 1,59X10- ед. СГС/г для образца, в котором было 40%| волокна. Используя известное весовое содержание волокон в образцах композиционного материала, получили анизотропию . В образце с меньщим весовым количеством волокон ДлгйЖ- 1 ЦО.Ю-б -- ,98Х10-5 ед. СГС/г. Для об1,67-10-6 разца с 60% волокон ,6 2,78-10- ед. СГС/г определял - из выражения (1). Полученное значение составило (0,963±0,003) для образца с 40% волокон и (0,873+0,003) для второго образца. S Предмет изобретения Способ определения разориентации углеродных волокон в композиционных материалах путем сравнения характеристик материа-5 ла, измеренных по различным направлениям, отличающийся тем, что, с целью повыбшения точности измерений, измеряют анизотроиию магнитной воснриимчивости углеродкого волокна и композиционного материала, армированного такими же волокнами, и по углу между осями волокон и осью симметрии их распределения в матрице композиционного материала судят о разориентации.