АКАДЕМИЯ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР

механика

композитных

материалов

Сентябрь— октябрь

Журнал основан в 1965 г. Выходит 6 раз в год

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 5, с. 771—774

УДК 620.17:677.5

А.М. Цирлин, Е. А. Щетилина, А. В. Оболенский, Э. Г Посохина,

Н.М. Балагурова, Ю. Е. Пронин

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БОРНЫХ НИТЯХ

Борные нити имеют неоднородную структуру. Они состоят из боридного сердечника и борного слоя. Такая структура и процессы взаимо­ действия вольфрама и бора способствуют появлению в борной нити ос­ таточных напряжений, величина которых зависит от диаметра нити, со­ става сердечника, особенностей получения. Благодаря проникновению бора в сердечник образуются бориды вольфрама различного состава — WB, W2B5, WB4, имеющие больший удельный объем в пересчете на один атом вольфрама, чем исходный сердечник, что приводит к возникнове­ нию напряжений сжатия в сердечнике. Атомы бора, осаждающиеся на сформированный борный слой, внедряются в него, вызывая в нем нап­ ряжения сжатия, которые уравновешиваются за счет растяжения внут­ ренних слоев бора.

В ряде работ установлено распределение по сечению величины оста­ точных напряжений [1—3], которые образуют три характерные зоны по сечению борных нитей — сжатие в сердечнике и на поверхности и растя­ жение в основной части борного слоя. Изучены также дефекты струк­ туры борных нитей [4], приводящие к снижению прочности последних до 2,95—3,9 ГПа (теоретическая прочность бора составляет, как известно, 19,5—39 ГПа). Однако действие дефектов структуры тесно связано с распределением остаточных напряжений. Особенно резко должны пони­ жать прочность нитей дефекты, расположенные в зонах растяжения. На­ против, в случае расположения дефектов в зоне сжатия должно наблю­ даться повышение прочности борных нитей.

Углубленные исследования остаточных напряжений в борных нитях нельзя вести традиционными рентгеновскими методами вследствие суб­ микрокристалличности (аморфности) осажденного бора. Определение напряжений в боридном сердечнике при вытравливании сердечника из расщепленных нитей с последующим измерением радиуса кривизны не дает полной эпюры напряжений по сечению нити.

В работах [2, 3] были разработаны прибор и оригинальная методика для измерения остаточных напряжений в нитях. Однако получить неис­ каженную эпюру напряжений по всему сечению нити, измерить напря­ жения в сердечнике нитей диаметром ^140 мкм и устранить побочные реакции при анодном растворении борной нити авторам не удалось. В связи с этим задача настоящей работы состояла в разработке мето­ дики для определения остаточных внутренних напряжений и изучении распределения напряженийпо сечению готовых борных нитей с целью изыскания путей повышения их прочности за счет перераспределения напряжений.

Нами были усовершенствованы прибор и методика исследования. Разработанное устройство состоит из электрополировальиой ячейки, емкостного дилатометра и калиб­

контакты-затворы на образец, приклеенный одним концом к штоку микровинта, а дру­ гим — к подвижной обкладке дилатометра. На неподвижные пластины от генератора через диодный полумост подается напряжение 60 В частотой 200 кГц. Полезный сигнал амплитудой до 0,15 В, вырабатываемый дилатометром, подается на аттенюатор, а за­ тем — на электронный самописец.

Ячейка заполнена специальным электролитом, обладающим низкой электропровод­ ностью, высокой вязкостью, что обеспечивает создание в ячейке радиального электрнче-

ются от 0,6 до 0,03 ГПа, а растяжение внутренних слоев бора растет от 0,6 до 0,9 ГПа с увеличением диаметра нити от 55 до 185 мкм, что согла­ суется с представлениями о процессе осаждения бора и с типами разру­ шения соответствующих нитей. В нитях диаметром 55 мкм напряжения сжатия в сердечнике велики, что дает дополнительный резерв при растя­ жении нити, поэтому разрушение происходит в основном от поверхност­ ных дефектов и радиальных трещин. Нити диаметром 180 мкм разруша­ ются преимущественно от дефектов сердечника, так как напряжения сжатия в нем малы (табл. 1).

Было также изучено влияние кратковременного нагрева (40 с) при температуре от 1073 до 1373 К в водороде на свойства, характер разру­ шения и распределение напряжений в борных нитях диаметром 95 мкм (рис. 4). С повышением температуры прочностные показатели ухудша­ ются, количество поверхностных изломов увеличивается в соответствии с уменьшением остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях бора (табл. 2).

Исследования показали, что перераспределение остаточных напряже­ ний за счет термообработки целесообразнее использовать для повыше­ ния прочности борных нитей диаметром 140 мкм и более, сочетая ее с по­ следующим удалением поверхностных дефектов путем травления части борного слоя и полирования поверхности [2, 3]. В этом случае возраста­ ние напряжений сжатия в сердечнике при термообработке должно при­ водить к уменьшению доли изломов с дефектами сердечника и к повы­ шению прочности борных нитей.

Рис. 3. Распределение остаточных осевых напряжений в борных нитях разных диамет­ ров (значения указаны у кривых).

Рис^ 4. Распределение остаточных осевых напряжений в борных нитях после термиче­ ской обработки: 1 — без термической обработки; 2, 3 — нагрев до 1073 и 1373 К соот­ ветственно.

Полученные в настоящем исследовании данные по характеру распре­ деления остаточных напряжений в борных нитях разных диаметров и после термической обработки качественно совпадают с результатами ра­ бот [2, 3]. Однако величина сжимающих напряжений, определенная авто­ рами [2, 3], была выше в поверхностных слоях бора и особенно в сердеч­ нике (в несколько раз), что может объясняться более высокими тем­ пературами осаждения бора и протеканием побочных реакций при анодном растворении. Кроме того наличие груза на конце вертикально висящей борной нити в приспосоолении [2, 3] может приводить к искаже­ нию всей эпюры напряжений по сечению борных нитей, особенно сильно проявляющемуся на конечных стадиях растворения бора.

Выводы. 1. Создана установка и разработана методика исследования осевых остаточных напряжений в борных нитях.

2.Исследовано распределение внутренних напряжений в нитях в за­ висимости от диаметра и термической обработки.

3.Установлена связь между характером разрушения борных нитей

икартиной остаточных напряжений.

4.Намечены пути повышения прочности борных нитей.

4. Цирлин A. Af., Жигач А. Ф., Щетилина E. А. Фрактографические особенности борных нитей. — В кн.: Симпозиум по композиц. материалам, 23—27 мая 1977 г. М.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 5, с. 775—778

УДК 678.6:541.67

Б.А. Зайцев, Г. И. Храмова, Т. С. Цыганкова, Р. Ф. Киселева,

Л. А . Лайус, М. И. Бессонов, М. Ф. Лебедева, С. К. Захаров

РОЛИВСАНЫ — НОВЫЕ СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ТЕПЛОСТОЙКИХ

ИПРОЧНЫХ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ

Внастоящее время многие области современной техники нуждаются

вкомпозитных материалах, сохраняющих на удовлетворительном уровне прочностные свойства при длительном воздействии повышенных темпе­ ратур. Однако на пути создания таких материалов, получаемых мето­ дами прессования или литья, возникают большие технологические труд­ ности. Причина заключается в том, что для придания изделию термо- и теплостойкости в макромолекулы полимерного или олигомерного полу­ фабриката обычно вводят термостабильные звенья, блоки или цепи, что приводит к увеличению жесткости макромолекулярных цепей и возрас­ танию межмолекулярных взаимодействий. Следствием этого является высокая температура плавления (размягчения), плохая растворимость и перерабатываемость связующего или компаунда.

Сдругой стороны, хорошо известно, что на основе многих видов ре­ акционноспособных олигомеров, содержащих гибкие молекулярные цепи, примером которых являются эпоксидные и полиэфирные смолы, легко могут быть получены армированные пластики методами контакт­ ного, а также жидкофазного формования. Однако температурная гра­ ница их длительной эксплуатации обычно не превышает 150—200° С. Поэтому весьма актуальной является разработка методов получения теплостойких и прочных армированных пластиков на основе связующих, отличающихся легкоплавкостью или жидкофазным исходным состоя­ нием.

Недавно были разработаны связующие нового типа, получившие на­ звание роливсанов (Реакционноспособных ОЛигомеров Института Вы­ сокомолекулярных Соединений Академии Наук СССР), которые дают возможность сочетать высокую теплостойкость пластика и легкую пере­ рабатываемость связующего [1, 2]. Основные химические и технологические особенности ро­

*На основе термообработанной стеклоткани Т-10П/Э.

"К — компаунд, С — связующее, П — продукт с повышенной вязкостью (выше

*** После термоокислителыюго старения на воздухе при 320° в течение 10 ч.

4* и 5* После термоокислительного старения на воздухе при 320° С в течение 20 и

растворителей и побочных летучих продуктов. Поэтому применение при переработке высоких температур и значительных удельных давлений становится излишним.

В исходном состоянии роливсаны представляют собой жидкие или легкоплавкие мономерно-олигомерные композиции, получаемые химиче­ ским путем [1—4]. Приведем некоторые характеристики неотвержденного связующего марки Роливсан МВ-1: плотность d425=1090—1100 кг/м3; по­ казатель преломления Яо25 = 1,57—1,60; динамическая вязкость т|25 = = 600—3500 мПа-с; т]45= 100—400 мПа-с; среднечисленная молекуляр­ ная масса = 350—500; содержание С — 76,5—81,0%; Н — 6,4—7,0%; О — 12—17%; С=С связей — 12—16%; время желатинизации при 150° С — 30—90 мин, при 180° С — 5—15 мин. Роливсаны состоят из дивинилароматических соединений и отверждаются методом, который мо­ жет быть назван полимеризационно-полициклоконденсационным. На стадии формования изделия заданной формы протекает трехмерная сов­ местная полимеризация ненасыщенных компонентов системы. При этом из инфракрасных (ИК) спектров роливсанов (рис. 1, спектры 1, 2) исче­ зают полосы поглощения ненасыщенных групп (1630, 995, 908 см-1) и теплостойкость образующегося трехмерного сополимера достигает 200° С (кривые 1—3 рис. 2). Полностью сформированную конечную тепло- и термостойкую структуру полимерное связующее приобретает на стадии последующей термообработки (при температуре выше 180° С) или облу­ чения мощной дозой (>100 Мрад) ускоренных электронов. При этом происходит перестройка первичной сетчатой структуры полимерного свя­ зующего и образуется новый сетчатый сополимер с теплостойкостью 400—430° С (кривые 4, 5 рис. 2), который по данным ИК спектроскопии (рис. 1, спектры 3—5), элементного, химического анализа и исследова­ ния модельных соединений имеет следующее строение:

ароматический радикал; R — Н или алифатический радикал. В ИК спектре перестроенного связующего появляются полосы поглоще-

1?2?/чмети,[1ентетРалоновых (1680—1700 см-1) и ангидридных групп (1800, 1760 см-1).