Применение метода ударного микроиндентирования для оценки механических характеристик и дефектности структуры углеродных композиционных материалов

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.

1. Burchell, T. D. Carbon Materials for Advanced Technologies. – Elsevier, 1999. – 540 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-042683-9.X5000-6

2. Chung, D. Carbon Fiber Composites / D. Chung. – Butterworth-Heinemann, 2012. – 215 p.

3. Fitzer, E. Carbon Reinforcements and Carbon / E. Fitzer, L. M. Manocha. – Springer Science & Business Media, 2012. – 344 p.

4. 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/s10443-008-9057-3

5. Numerical 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.2018.05.014

6. Characterisation 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.2013.08.063

7. Рудницкий, 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.

8. 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-x

9. Residual 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-X