Оценка анизотропии материала ВТИ-16 путем сопоставления прочности при растяжении образцов, вырезанных в продольном и поперечном направлении

Введение

Разработка новых изделий авиационной техники требует создания функциональных материалов, обеспечивающих высокие характеристики и надежность летательного аппарата [1].

Одним из видов материалов, используемых в системах теплозащиты летательных аппаратов, являются волокнистые высокотемпературные материалы [2–8], выгодно сочетающие низкую теплопроводность, малую плотность, высокую гибкость и упругость.

При разработке технологии изготовления гибких волокнистых материалов методом осаждения из водной пульпы исследователи столкнулись с явлением неконтролируемого изменения высоты и плотности мата в процессе термообработки, что делало проблематичным получение калиброванных изделий [9]. Для предотвращения этого явления было предложено ввести в технологический процесс изготовления мата прокатку влажного полуфабриката [10].

В процессе изготовления гибких матов после диспергирования волокнистой водной пульпы методом барботирования [11] влажную заготовку подвергали продольной прокатке, при этом удалялась часть жидкости, материал становился тоньше и выравнивался по толщине. Кроме того, при прокатке происходит и излом изогнутых и перекрученных волокон, заполнение пустот, возникших при вакуумном формовании и, возможно, более равномерное распределение по объему мата жидкости, содержащей связующее. Возникло предположение, что в ходе этой операции происходит также переориентация и вытягивание волокон в продольном направлении.

Материалы и методы

В работе изучены образцы, вырезанные в продольном и поперечном направлениях прокатки из гибких волокнистых матов. Образцы исследовали на оптическом микроскопе Olympus BX51 с цифровой камерой DP73 в отраженном свете.

Испытания при растяжении [12] проводили на установке Instron 5965 на образцах размером 300×30×10 мм и 300×30×4 мм, вырезанных из матов в продольном и поперечном направлениях прокатки. Ввиду малых значений замеряемой нагрузки использован датчик модели 2530-427 с пределом измерения 100 Н (класс точности 0,05) и захваты модели 2712-013 с усилием 5 Н.

Для каждого мата испытывали не менее 5 образцов каждой ориентации (в продольном и поперечном направлениях прокатки). В случае разрушения образца в захватах результат не учитывался.

Результаты

При попытках обнаружения неравномерности в ориентации волокон с помощью оптического микроскопа получить убедительную картину не удалось (рис. 1). 

Рис. 1. Вид материала ВТИ-16 без прокатки (а) и в прокатанном состоянии (б) (оптический микроскоп, размер маркера 200 мкм)

Альтернативным методом установления структурной анизотропии является измерение прочностных свойств материала в продольном и поперечном направлениях прокатки. Этот метод позволяет получить интегральную качественную оценку однородности распределения волокон в материале.

В работе [13] описана методика испытания гибких волокнистых материалов, суть которой заключалась в снижении давления на образец со стороны захватов, что достигалось использованием ограничительных вкладышей. При этом необходимо выдерживать определенное соотношение толщин образца и вкладышей, зависящее от целого ряда параметров (плотность материала, прочностные характеристики волокон и т. п.), иначе происходит либо проскальзывание, либо разрушение в захватах.

В данной работе применительно к материалу ВТИ-16 предложен усовершенствованный способ крепежа, согласно которому волокнистый образец помещали между тонкими пластинами из листового металла, концы которых закрепляли с помощью пневматических зажимов (рис. 2). Такой способ крепежа пригоден для образцов в широком диапазоне толщин и, кроме того, обеспечивает постепенное увеличение сжимающих усилий по длине зажатой части образца, т. е. не создает концентрации напряжений в одном месте, что снижает вероятность разрушения по границе зажима.

Рис. 2. Вид образца, приготовленного к испытаниям на установке Instron 5965, при усовершенствованном способе крепежа

На основании полученных данных определяли степень анизотропии (σ_||cр/σ_┴ср) и вычисляли статистические критерии (t_табл и t – двойной критерий). Типичная экспериментальная кривая приведена на рис. 3. Результаты испытаний представлены в таблице.

Рис. 3. Типичная экспериментальная кривая, полученная при растяжении образца материала ВТИ-16

Результаты испытаний при растяжении образцов из материала ВТИ-16

Маты 1 и 2 имели расчетную плотность 0,17 г/см³, плотность мата 3 составляла 0,12 г/см³. Существенно более высокие значения прочности образцов из мата 3 связаны, скорее всего, с различной толщиной матов: 10 мм – у матов 1 и 2; 4 мм – у мата 3. По-видимому, прочность образцов мата при растяжении в наибольшей степени определяется поверхностными слоями, поэтому при приблизительно равной величине разрывной нагрузки прочность образцов из толстых матов существенно ниже.

Обсуждение и заключения

Сразу отметим, что продольная текстура практически не влияет на теплозащитные свойства изделий, поскольку тепловой поток, как правило, направлен перпендикулярно плоскости мата. В то же время ее наличие может повысить технологичность материала на этапе монтирования гибких матов на объекте.

Каждый массив данных, приведенных в таблице, оценен на предмет резко выделяющихся значений по так называемому критерию типа r [14]:

, где S – среднее квадратическое отклонение (СКО).

Резко выделяющихся значений не обнаружено.

Значения σ_||cр/σ_┴ср показали, что для матов, прокатанных во влажном состоянии, уровень анизотропии прочности при растяжении составляет 1,33; 1,24 и 1,17 (в порядке возрастания номеров), т. е. можно сделать вывод, что прочностные характеристики образцов гибких волокнистых матов, вырезанных во взаимно перпендикулярных направлениях, свидетельствуют о наличии текстуры – преимущественной ориентации волокон в прокатанных матах.

Величины отношения σ_||cр/σ_┴ср небольшие, поэтому для подтверждения анизотропии материала проведен дополнительный анализ результатов с помощью статистических критериев [14].

Ввиду малых (непрезентативных) выборок использован упрощенный параметрический критерий – так называемый двойной t-критерий, где  

Выборка однородна, если t≤t_табл, где t_табл – зависит от α-доверительного интервала (0,95) и n-числа измерений. Выборки независимы, если t>t_табл.

Из сравнения данных, представленных в двух последних столбцах таблицы, следует, что для всех испытанных матов для образцов, вырезанных вдоль и поперек мата, выборки независимы, таким образом, наличие текстуры подтверждается и статистическими критериями.

Параметром, более чувствительным к наличию преимущественной ориентации волокон в мате, может явиться минимальный (критический) радиус изгиба – радиус, при котором сохраняется целостность образца. Эта характеристика, кроме того, имеет и практическую значимость. В дальнейшем имеет смысл провести работы по изучению взаимосвязи степени анизотропии мата и критического радиуса изгиба.