Остаточные напряжения в борных нитях.
Процесс образования волокна при химическом газофазном осаждении бора на вольфрамовую проволоку связан с возникновением в волокне значительных напряжений. При этом такие основные характеристики, как прочность на растяжение и сдвиг, а также возникновение радиальных трещин существенно зависит от характера распределения остаточных напряжений. Основными причинами их возникновения, по мнению авторов /66,89/, являются:
Объёмное расширение сердечника в ходе осаждения вследствие химического взаимодействия с бором с образованием боридов вольфрама.
Удлинение борной оболочки в процессе осаждения бора.
Различие коэффициентов термического расширения бора и боридов вольфрама.
Резкое охлаждение волокна в ртутном затворе при выходе волокна из камеры осаждения.
С другой стороны, авторы работы /66/ отмечают, что такие факторы, как состав газовой смеси, наличие в ней примесей, натяжение подложки, практически не оказывают влияния на напряжения, возникающие в борных волокнах.
Исследования /43/, проведённые рентгеновским методом, дали аналогичную качественную картину остаточных напряжений. Установлено, что поверхность испытывает напряжения сжатия до 0,7 ГПа, внутренние слои бора растянуты до напряжений 1,0 ГПа, сердечник сжат до 1,4 ГПа. Полученная эпюра напряжений от сжатия к растяжению в борном слое принимали точку, соответствующую концу радиальной трещины, берущей начало в сердечнике.
Дальнейшие исследования основывались на послойном стравливании бора с одновременным измерением длины исследуемого волокна /59/. Метод, позволяющий более точно измерять осевые остаточные напряжения в БВ, описан в /60-65/. Прибор позволяет проводить непрерывные измерения длины образца БВ, подвергаемого электрохимическому травлению. Исследуемый образец приклеивали электропроводящим клеем к двум кварцевым трубкам и помещали в сосуд с электролитом, в котором размещался трубчатый катод (рис. ). Одна из трубок – подвижная – крепилась к внутренней, также подвижной, пластине трёхобкладочного конденсатора, служившего датчиком перемещения. На образец длиной 1 см подавали напряжение 24 В, поддерживая постоянный ток 4 мА. При удалении борного слоя вследствие электрохимического травления, длина образца изменялась под воздействием остаточных напряжений, что приводило к изменению положения внутренней пластины конденсатора. Изменение ёмкости измеряли и регистрировали автоматически (рис. ). Скорость анодного растворения бора в электролите, состоящем из 85,8% глицерина; 13,7 % воды; 0,5 % гидроксида натрия, составила 2,5*10-5 г/А*с. Постоянство скорости растворения бора и скорости побочной реакции позволяли рассчитывать диаметр в любой момент времени с точностью до 3% исходя из начального диаметра , величины тока и времени. Соответственно, не требовалось прерывать процесс для измерения диаметра образца.
По графику зависимости изменения длины образца от времени электрохимического травления вычисляли осевую деформацию как функцию радиуса. При этом предполагалось, что механические свойства бора – модуль упругости и коэффициента Пуассона – не зависят от радиуса волокна. Одновременно предполагалось, что осевые деформации вызваны только осевыми напряжениями, что осевые деформации вызваны только осевыми напряжениями, поскольку измерить вклад радиальной и тангенциальной составляющих не представлялось возможным.
В работе /60/ приводится вывод соотношения, позволяющего из результатов измерения осевой деформации вычислять осевые напряжения вдоль радиуса волокна.
Предполагается, что волокно стравлено до радиуса r, и напряжение в поверхностном слое составляет σs(r). Если удалён слой толщиной ∆r, на оставшемся волокне возникает сила ∆F:
Эта сила вызывает осевую деформацию ∆ε :
