Технические науки / машиностроение

Скачков В.А., Иванов В.И., Карпенко А.В., Очинский В.Н., Моисейко Ю.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ГРАФИТА

Запорожская государственная инженерная академия

Пластинчатый пиролитический графит характеризуется наличием межслоевых трещин и неплоскостностью, которые обусловлены высоким уровнем остаточных термоструктурных напряжений. Данные напряжения возникают в процессе высокотемпературного осаждения пиролитического графита и последующего охлаждения до комнатной температуры. Температура осаждения пиролитического графита, состав реакционного газа и скорость его течения в реакционной зоне определяют размеры кристаллитов, а, следовательно, и уровень остаточных структурных напряжений.

В связи с этим была поставлена задача разработки методики и оценки уровня структурно-механических характеристик в пластинах пиролитического графита.

В процессе осаждения пиролитического графита атомные плоскости углерода располагаются параллельно поверхности осаждения (подложки), при этом в плоскости осаждения свойства пиролитического графита изотропны, а в направлении, перпендикулярном плоскости осаждения, значительно отличаются, что позволяет относить данный материал к трансверсально-изотропным средам [2].

Уровень макроскопических остаточных термохимических нормальных () и сдвиговых () напряжений в пластинах пиролитического графита оценивали по величине их термохимического прогиба [2]:

 ;                                           (1)

 ,                                              (2)

где  E - модуль упругости в плоскости осаждения пиролитического графита;  a,  b, h - длина, ширина и толщина пластины пиролитического графита соответственно;  f - максимальный прогиб в центре пластины;  m - коэффициент Пуассона.

Зависимость (1) получена при условиях Е1 = Е2;  m12 = m21, что характерно для плоскости изотропии трансверсально-изотропных сред.

Размеры кристаллитов пиролитического графита определяли по ширине дифракционных линий с использованием формулы Семенова-Шеррера:

;                                                       (3)

,                                                       (4)

где  La, Lc - размеры кристаллитов в плоскости 002 и 004 соответственно;  Аа, Ас - постоянные (Аа = 1,84; Ас = 0,89);  b - ширина линий на половине высоты максимума рентгенограммы.

Структурно-механические характеристики пиролитического графита определяли на установке ДРОН-2У. Межплоскостное расстояние d002 вычисляли по формуле Вульфа-Брэгга:

 ,                                                     (5)

где  l - длина волны;  q - угол дифракции.

Для определения макроскопических остаточных напряжений использовали пластины пиролитического графита квадратной формы со стороной а = 170 мм. При расчетах принимали, что модуль упругости данного материала Е = 2,9 ГПа, а коэффициент Пуассона m = 0,27 [3].

В табл.1 представлены геометрические параметры пластин и расчетные значения остаточных напряжений.

 

 

 

Таблица 1 - Остаточные напряжения в пластинах пирографита

Толщина h, мм

Прогиб f,

мм

Нормальные остаточные напряжения, , МПа

Сдвиговые остаточные напряжения tmax, МПа

4,4

8,05

7,81

7,12

4,6

7,60

9,21

9,50

4,8

7,45

10,17

10,46

5,0

7,20

10,69

11,88

5,2

6,90

11,07

11,38

5,3

6,60

8,89

9,67

5,4

6,30

8,57

9,55

5,6

5,60

8,32

9,296

Как видно из табл.1, уровень максимальных значений остаточных сдвиговых напряжений в плоскости осаждения пиролитического графита является достаточно высоким и сопоставимым с предельными значениями сдвиговой прочности, что свидетельствует о большой вероятности образования трещин между плоскостями пиролитического графита.

Таблица 2 - Структурно-механические свойства пирографита

Высота кристаллита Lc, Å

Межслоевое расстояние, d002, Å

Структурные деформации e, %

Предел прочности на изгиб sи, МПа

89,3

3,4288

0,606

19,80

90,2

3,4248

0,612

20,20

92,3

3,4232

0,624

20,40

93,5

3,4220

0,652

20,90

95,0

3,4227

0,628

20,60

95,5

3,4270

0,600

19,20

97,0

3,4313

0,585

17,60

97,7

3,4356

0,561

16,40

Для оценки влияния рентгеноструктурных параметров пиролитического графита на его механические свойства по формулам (3), (4) и (5) рассчитывали межплоскостное расстояние и размеры кристаллитов, а также предел прочности на изгиб (табл.2).

Результатами исследований установлено, что величина среднего уровня остаточных нормальных напряжений в пластинах пиролитического графита составляет около 45% среднего значения предела прочности на изгиб, а зависимость остаточных напряжений от толщины пиролитического графита подчиняется параболическому закону с максимальным значением в интервале 4,8...5,2 мм.

Величина уровня остаточных сдвиговых напряжений подтверждает возможность образования трещин в пластинах пиролитического графита. Предел прочности пиролитического графита на изгиб практически линейно зависит от структурной деформации e, монотонно возрастая с увеличением указанного параметра, а рост межплоскостного расстояния пиролитического графита d002 сопровождается незначительным снижением предела прочности на изгиб. Зависимость предела прочности пиролитического графита на изгиб от высоты кристаллитов Lc имеет параболический характер с максимальным значением в интервале 90...95 Å.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. - М.: Химия, 1972. - 135 с.

2.     Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. - М.: Наука, 1977. - 415 с.

3.     Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник / Под ред. В.П.Соседова. - М.: Металлургия, 1975. - 334 с.