Диссертация (1097990), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Сила f0 определяется только типом взаимодействующих частиц,поэтому она не меняется при уплотнении.При небольших давлениях при прессовании ТРГ (плотность графитовой фольги до ~ 1,3 г/см3) площадь реальных контактов растет линейно, поэтому сила сцепления микродисков также прямо пропорциональна плотностиГФ. В результате прочность линейно увеличивается с ростом плотности до1,3 г/см3, что и наблюдалось в работах [303, 304, 305, 306] и нами. Число контактов определяется площадью перекрытия частиц терморасширенного графита между собой.
Об этом свидетельствует полученная нами зависимостьпредела прочности графитовой фольги от латеральных размеров частиц исходного природного графита (Рисунок 131).Причиной, которая приводит к изменению углового коэффициента зависимости ζр(ρ), является резкое изменение числа контактов в области плотностей 1,3 г/см3 - 1,4 г/см3. Такое изменение числа контактов от давления соприкасающихся шероховатых поверхностей связано с достижением локального «предела текучести» материала в месте реального контакта и было теоретически предсказано в работе [319] ( Рисунок 135).- 240 -Рисунок 135.
Зависимость реальной площади контакта (Ncontact/N) от приложенной нагрузки (Fpressure) [319].Косвенным подтверждением такого поведения механических свойствграфитовой фольги может служить изменение распределения пор по размерам у ГФ при увеличении плотности, рассчитанные нами по кривым адсорбции-десорбции азота (Рисунок 44), так как пору можно рассматривать какпространство между контактирующими неровностями на поверхности взаимодействующих частиц ТРГ. Для плотности 0,58 г/см3 достаточно большоеколичество пор большего размера (больше 50 Å).
Их количество уменьшается при прессовании до плотности 1,46 г/см3, и при этом увеличивается количество пор с размером 25 – 30 Å (Рисунок 44).Отдельно следует отметить обнаруженную нами анизотропию пределапрочности на разрыв ζр(ρ) у ГФ относительно оси прокатки и в перпендикулярном направлении (Рисунок 136). Значения ζр(ρ) графитовой фольги совпадают для образцов, взятых вдоль и поперек направления оси прокатки, доплотности ρГФ ~ 0,5 г/см3.
При ρГФ ˃ 0,5 г/см3 «продольные» образцы ГФ демонстрируют больший предел прочности.- 241 -Рисунок 136. Зависимость прочности на разрыв графитовой фольги отплотности вдоль оси прокатки и в перпендикулярном направления.Наблюдаемая зависимость, с нашей точки зрения, связана с изменением формы пор в ГФ под давлением при прокатке терморасширенного графита.
Этот эффект обнаружен методом малоуглового рассеяния нейтронов insitu у ТРГ под давлением в работах [320], [321] (Рисунок 137).Рисунок 137. Схематическое изображение изменение топологии пор втерморасширенном графите под давлением [320].Хорошо известно, что микропоры оказывают существенное влияние напрочностные свойства твердых тел. Это связанно с тем, что наряду с другимитрехмерными дефектами, они являются концентраторами приложенных напряжений, снижая реальную прочность материалов за счет высоких локальных перенапряжений, создаваемых группой пор [322] (Рисунок 138).- 242 -Рисунок 138. Распределение полей напряжений, рассчитанное методомконечных элементов в системе двух одинаковых пор при растяжении [322].Кроме количества и распределения пор в образце следует учитывать иформу пор, так как их топология определяет перенапряжения, возникающиев межпоровом пространстве [309].
К примеру, для пор, имеющих форму эллипсоида вращения распределение полей напряжений в максимальном сечении поперек и вдоль оси прокатки представлено на Рисунок 139.Если предположить ,что большие полуоси эллипсоидальных порприимущественно расположены вдоль оси прокатки, то тогда в этомнаправлении максимальное перенапряжение будет 3ζ0, а в перпендикулярном направлении, учитывая что b ˃ a, естесвенно, больше 3ζ0 [309]:ζmax=ζ0(1+2b/a). Таким образом, мы считаем, что именно форма пор определя-ет наблюдаемую анизотропию механических свойств ГФ.- 243 -Рисунок 139. Эпюры механических напряжений, возникающих вокругпор различной геометрии, где a и b – полуоси эллипсоида , F - приложеннаясила, ζ0=F/S0 - механическое напряжение в свободном от дефектов сечении.Отсутствие анизотропии механической прочности, модуля Юнга у графитовой фольги при плотностях меньших 0,5 г/см3 говорит об "изотропностигеометрических размеров" пор, т.е.
в диапазоне плотностей от 0,2 г/см3 до0,5г/ см3 их форму можно считать сферической.5.2. Сжимаемость, восстанавливаемость и коэффициент Пуассона гибкойграфитовой фольгиМетодика определения сжимаемости, восстанавливаемости и упругости описана во второй главе. Зависимость плотности от давления производилась на пьезометре ВД в замкнутом объеме. Результаты исследований сжимаемости, восстанавливаемости и упругости ГФ в зависимости от ее плотности представлены на Рисунке 140а. Сжимаемость графитовой фольги ,чтовполне естественно, падает с увеличением плотности, что связано с уменьшением пористости, т.е.
свободного объема, куда могут уплотняться частицыТРГ. С нашей точки зрения, упругие свойства ГФ обусловлены наличием унее закрытых пор различного размера. Как уже отмечалось в предыдущем- 244 параграфе, при определенном давлении прессования (плотность ГФ ~1,3 г/см3) происходит резкое изменение распределения пор по размерам, которое мы связываем со скачкообразным ростом числа контактов между частицами ТРГ.
Этот эффект и приводит уменьшением упругости с 9 % приплотностях ГФ меньших 1,3 г/см3 до 6 % при плотности 1,8 г/см3. Рис. 140б.Рисунок 140. а) Зависимости сжимаемости, восстанавливаемости и пористости ГФ от плотности; зависимость плотности ГФ от давления; б) зависимость упругости графитовой фольги от плотности.Определение коэффициента Пуассона графитовой фольги проводили на универсальной испытательной машине H 100 KS фирмы Hounsfiield TestEquipment Ltd.
с предельной нагрузкой 105Н с помощью специально разработанной измерительной оснастки (Рисунок 42).Рассчитанные значения коэффициента Пуассона графитовой фольгипри различных давлениях и температурах представлены в Таблице 26.Анализируя экспериментальные результаты для колец графитовойфольги Таблица 26, можно сделать вывод, что коэффициент Пуассона в пределах ошибки измерений не зависит от температуры в диапазоне от 25ºС до300ºС и равен: μ=0,25±0,02.В литературе приведены немногочисленные данные по методикам ирезультатам экспериментов по определению коэффициентов Пуассона и бокового давления для различных материалов [323, 324, 325, 326].
В большинстве методик необходимое для расчета значение бокового давления уплотне-- 245 ний на стенки камеры определяли по напряжениям и деформациям, возникающим в упругих элементах.Таблица 26.Коэффициенты Пуассона графитовой фольги при различных давлениях итемпературах.P, МПа 5 МПа 10 МПа 20 МПа 50 МПа 80 МПа 100 МПа 120 МПаТ, °C25100150200250300μср0,250,250,250,240,250,250,250,260,260,260,260,260,270,270,260,270,270,260,27μ0,270,26μ0,27μ0,270,27μ0,260,270,260,270,260,260,260,270,250,270,250,260,250,260,250,260,250,26Измерения осуществлялись в основном с применением тензодатчиков,μрасполагавшихся снаружи.
Такие методы исключают возможность увеличеμ и приемлемы только для услония температуры наружными нагревателямивий проведения эксперимента при комнатной температуре [327]. Полученныенами значения коэффициента Пуассона для колец из графитовой фольгиблизки к результатам для графита чешуйчатого малозольного [13] и к полученному ранее коэффициенту Пуассона для терморасширенного графитаμ= 0,24 в работе [179].В заключение этого параграфа хотелось бы отметить, что полученные внем результаты используются конструкторами, технологами НПО Унихимтек при проектировании новых уплотненных узлов промышленного оборудования НПО Унихимтек.5.3.
Влияние примесей в исходном природном графите на физико-химическиесвойства гибкой графитовой фольгиДля исследования зависимости физико-химических свойств гибкойграфитовой фольги от содержания примесей нами специально были получе-- 246 ны образцы фольги плотностью 1 г/см3 из природного графита с разной степенью очистки. Содержание золы определялось как в исходном природномграфите перед синтезом интеркалированных соединений графита, так и в образцах ГФ после проведения всех исследований механических свойств.Фольгу получали на основе гидролизованных ИСГ как бисульфата графитапервой ступени, так и нитрата графита второй ступени.Результаты определения золы в исходном графите и ГФ представленыв Таблице 27.
Нужно отметить, что при синтезе бисульфата графита в качестве окислителя использовали бихромат калия, вследствие чего происходилонезначительное увеличение зольности, что, видимо, связано с остатками соединений хрома в ОГ. При синтезе нитрата графита дополнительный окислитель не использовался, а брали в избытке дымящую азотную кислоту.
В результате происходило заметное уменьшение зольности за счет растворениясодержащихся примесей в азотной кислоте. Примесный состав золы в общемслучае определяется месторождением графита, а в нашем конкретном случаеметодом РФА показано, что основным компонентом золы являются оксиджелеза Fe2O3 и оксид кремния SiO2.Таблица 27.Содержание золы в исходном графите и в графитовой фольге.№Зольность фольги из БГ(N=1), % Зольность фольги из НГ (N=2), %исх. графитГФисх. графитГФ10,40,280,410,3221,10,781,261,0231,361,362,101,4042,202,174,403,14В результате проведенных исследований было показано, что электропроводность, теплопроводность и упругие характеристики (сжимаемость,восстанавливаемость, упругость) графитовой фольги практически не зависятот содержания примесей (Рисунок 141).- 247 -Рисунок 141. Зависимость физико-химических свойств ГФ от содержания примесей: а - механические свойства, б – теплопроводность (λс) и удельное электросопротивление (ρс).Эти результаты вполне объяснимы, так как минеральные примеси в ГФнаходятся в виде механических включений и их роль при измерении вышеперечисленных свойств, сводится к незначительному изменению объема илиплощади поперечного сечения ГФ.VпрiVГФp ГФ пр 1% ;SпрiS ГФ3 p ГФ 1% ,2 пргде p- массовая доля примесей; ρГФ и ρпр - плотности графитовой фольги и примесей соответственно.Примеси оказывают очень существенное влияние на прочность ГФ прирастяжении: ζ(р) линейно уменьшается с увеличением содержания золы в ГФкак на основе бисульфата графита, так и на основе нитрата графита (Рисунок 142).
В графитовой фольге эти частицы (Рисунок 143) являются трехмерными дефектами и являются концентраторами приложенных напряжений,снижая прочность ГФ за счет высоких локальных перенапряжений, создаваемых группой примесей. Поэтому, чем больше таких трехмерных дефектовв ГФ, тем меньше между ними расстояние d ( d = r0 (2πρпр ) /(3 р ρГФ ) ,где r0 – радиус примеси; ρпр – плотность примеси, ρГФ – плотность ГФ; p- массовая доля примеси) и тем ниже предельное напряжение разрушения ГФ.- 248 -Рисунок 142. Зависимость предела прочности на разрыв ГФ, полученнойна основе бисульфата графита и нитрата графита от содержания золы.На полученных изображениях СЭМ графитовой фольги с различнымсодержанием золы (Рисунок 143) хорошо заметны чужеродные включенияразмером ~2 мкм - 4 мкм.Рисунок 143.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
