vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-4-469-477vestift-409Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGПрименение метода ударного микроиндентирования для оценки механических характеристик и дефектности структуры углеродных композиционных материаловApplication of the impact microindentation method for estimation of the mechanical characteristics and defects of the structure of carbon-base compositesКреньА. П.KrenA. P.

доктор технических наук, заведующий лабораторией контактно-динамических методов контроля

D. Sc. (Engineering), Head of the Mechanical Testing Laboratory

alekspk@mail.ruДелендикМ. Н.DelendikM. N.

кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Безопасность технологических процессов и производств»

Ph. D (Engineering), Head of the Chair “Safety of Technological Processes and Manufacture”

delendik@mipk.byПротасеняТ. А.PratasenyaT. A.

научный сотрудник

Reseacher

5657397@gmail.comКинжагуловИ. Ю.KinzhagulovI. Y.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии интроскопии»

Ph. D (Engineering), Assistant Professor of the Chair “Technology of Introscopy”

kizhiki@mail.ruИнститут прикладной физики Национальной академии наук Беларуси, МинскInstitute of Applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, MinskФилиал Белорусского национального технического университета «Межотраслевой институт повышения квалификации и переподготовки кадров по менеджменту и развитию персонала», МинскBranch of the Belarusian National Technical University “Intersectoral Institute for Staff Training and Retraining on Management and Personnel Development”, MinskСанкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-ПетербургSaint Petersburg National Research University of Informational Technologies Mechanics and Optics, Saint Petersburg201812012019634469477Copyright © Крень А.П., Делендик М.Н., Протасеня Т.А., Кинжагулов И.Ю., 20192019Крень А.П., Делендик М.Н., Протасеня Т.А., Кинжагулов И.Ю.Kren A.P., Delendik M.N., Pratasenya T.A., Kinzhagulov I.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/409

Рассматриваются вопросы измерения физико-механических характеристик углеродных материалов методом микроударного индентирования. Приводится описание конструкции датчика, создающего различную предударную энергию для деформирования материала при проведении измерений. Показано, что датчик дает возможность провести контроль как интегральных (в большом объеме деформирования) значений твердости и модуля упругости углеродных материалов, так и значений данных характеристик для отдельных структурных составляющих композиционного углерод-углеродного материала: углеродных стержней и пека. Приводятся результаты испытаний, подтверждающие возможность использования принятой упругопластической модели деформирования материала для оценки модуля упругости и твердости. Осуществлен переход от динамических характеристик к статическим. Проведена метрологическая аттестация образцов из таких углеродных материалов, как пирографит, силицированный графит, графит ППГ, угленаполненный фторопласт и полиамид. Показано, что метод динамического индентирования дает возможность измерять модуль упругости в диапазоне 0,5–100 ГПа и твердость индентирования в диапазоне 20–550 МПа с погрешностью, не превышающей 10 %. Разработанная измерительная техника может применяться для установления наличия макродефектов типа «расслоение» в материалах. Показано влияние глубины залегания дефекта на измеряемые параметры.

The problems of measurement the physical and mechanical properties of carbon materials by the dynamic microindentation method are considered. The description of the gage design for measurements is given. This gage allows creating different initial energy for straining of the material tested. It is shown that the design of the gage and the device allows testing both integral (in a large volume of straining) values of the hardness and the elastic modulus, and values of these characteristics for different structural components of the carbon-carbon composites materials: carbon rods and pitch. The obtained data confirms the possibility of using the accepted elastoplastic model of straining of the materials tested for the determination of the elastic modulus and hardness. The ratio between the dynamic and static characteristics is derived. Samples from such carbon materials as pyrolitic graphite, silicified graphite, graphite PPG, coal-filled PTFE and polyamide have been certified. Using these samples it was shown that the dynamic indentation method allows determining the elastic modulus in the range from 0.5 to 100 GPa and the hardness of indentation in the range from 20 to 550 MPa with an error not exceeding 10 %. It is established that the developed measuring device can be used to establish the presence of defects like "delamination". The influence of the depth of the defect placement on the measured parameters is shown.

микроиндентированиеуглеродные материалыфизико-механические характеристикинеразрушающий контрольmicroindentationcarbon materialsphysical and mechanical characteristicsnon-destructive testingReferencesBurchell, T. D. Carbon Materials for Advanced Technologies. – Elsevier, 1999. – 540 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-042683-9.X5000-6Burchell T. D. Carbon Materials for Advanced Technologies. Elsevier, 1999. 540 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-042683-9.X5000-6Chung, D. Carbon Fiber Composites / D. Chung. – Butterworth-Heinemann, 2012. – 215 p.Chung D. Carbon Fiber Composites. Butterworth-Heinemann, 2012. 215 p.Fitzer, E. Carbon Reinforcements and Carbon / E. Fitzer, L. M. Manocha. – Springer Science & Business Media, 2012. – 344 p.Fitzer E., Manocha L. M. Carbon Reinforcements and Carbon. Springer Science & Business Media, 2012. 344 p.Transverse Properties of Carbon Fibres by Nano-Indentation and Micro-mechanics / R. Maurin [et al.] // Appl. Compos. Mater. – 2008. – Vol. 15, Iss. 2. – P. 61–73. https://doi.org/10.1007/s10443-008-9057-3Maurin R., Davies P., Baral N., Baley C. Transverse Properties of Carbon Fibres by Nano-Indentation and Micromechanics. Applied Composite Materials, 2008, vol. 15, iss. 2, pp. 61–73. https://doi.org/10.1007/s10443-008-9057-3Numerical evaluation of the effect of pores on effective elastic properties of Carbon/Carbon composites / Х. Chao [et al.] // Composite Structures. – 2018. – Vol. 196. – P. 108–116. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.05.014Chao X., Qi L., Cheng J., Tian W. Numerical evaluation of the effect of pores on effective elastic properties of Carbon/ Carbon composites. Composite Structures, 2018, vol. 196, pp. 108–116. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.05.014Characterisation of the transverse mechanical properties of carbon/carbon composites by spherical indentation / M. Poitrimolt [et al.] // Carbon. – 2014. – № 66. – P. 234–245. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.08.063Poitrimolt M., Cheikh M., Bernhart G., Velay V. Characterisation of the transverse mechanical properties of carbon/ carbon composites by spherical indentation. Carbon, 2014, no. 66, pp. 234–245. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.08.063Рудницкий, В. А. Соотношение динамической и статической твердости металлов / В. А. Рудницкий, А. П. Крень, Г. А. Ланцман // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2016. – № 4. – С. 16–22.Rudnitsky V. A., Kren A. P., Lantsman G. A. Investigation of the ratio between the dynamic and static hardness of metals. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2016, no. 4, pp. 19–22 (in Russian).Kren, A. P. Determination of the critical stress intensity factor of glass under conditions of elastic contact by the dynamic indentation method / A. P. Kren // Strength of Materials. – 2009. – Vol. 41, Iss. 6. – P. 628–636. https://doi.org/10.1007/ s11223-009-9172-xKren A. P. Determination of the critical stress intensity factor of glass under conditions of elastic contact by the dynamic indentation method. Strength of Materials, 2009, vol. 41, iss. 6, pp. 628–636. https://doi.org/10.1007/s11223-009-9172-xResidual compressive and thermophysical properties of 4D carbon/carbon composites after repeated ablation under oxyacetylene flame of 3000 °C / W. Zaman [et al.] // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2013. – № 23. – P. 1661–1667. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62645-XZaman W., Li K., Ikram S., Li W. Residual compressive and thermophysical properties of 4D carbon/carbon composites after repeated ablation under oxyacetylene flame of 3000 °C. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, no. 23, pp.1661–1667. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(13)62645-X

The authors declare that there are no conflicts of interest present.