Композиты и наноструктуры №4 2015 (6490,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Индекс Пресса Ðîññèè: 83836 Композиты и наноструктуры ISSN 1999-7590 (Composites and Nanostructures) Научно-технический журнал http://www.issp.ac.ru/journal/composites Главный редактор профессор С.Т. Милейко Редакционная коллегия Алымов Ì.È., ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ; Андриевский Ð.À., ïðîô.; Аннин Á.Ä., àêàäåìèê; Бахвалов Þ.Î., ä-ð. òåõí. íàóê; Викулин Â.Â., ïðîô.; Георгиевский Ä.Â., ïðîô.; Глезер À.Ì., ïðîô.; Колобов Þ.Ð., ïðîô.; Костиков Â.È., ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ.; Куперман À. Ì., ïðîô.; Лурье Ñ.À., ïðîô.; Патлажан Ñ.À., ïðîô.; Победря Á.Å., ïðîô.; Сапожников Ñ.Á., ïðîô.; Севастьянов Â. Ã., ÷ë.-êîðð. ÐÀÍ; Сорина Ò.Ã., êàíä. òåõí. íàóê; Столин À.Ì., ïðîô.; Шмотин Þ.Í., êàíä. òåõí. наук Редакционный совет Ë.Ð. Âèøíÿêîâ, ïðîô.(Óêðàèíà); Ñ.Â. Ëîìîâ, ïðîô. (Áåëüãèÿ); A.R. Bunsell, ïðîô. (Ôðàíöèÿ); K.K. Chawla, ïðîô. (ÑØÀ); T-W Chou, ïðîô. (ÑØÀ); Sh. Du, ïðîô. (ÊÍÐ); T. Ishihara, ä-ð (ßïîíèÿ); A. Kohyama, ïðîô. (ßïîíèÿ); W.M. Kriven, ïðîô. (ÑØÀ); L.M. Manocha, ïðîô. (Èíäèÿ); V.M Orera, ïðîô. (Èñïàíèÿ); H. Schneider, ïðîô. (Ãåðìàíèÿ); K. Schulte, ïðîô. (Ãåðìàíèÿ); G.C. Sih, ïðîô. (ÑØÀ); M. Singh, ä-ð (ÑØÀ); H.D. Wagner, ïðîô. (Èçðàèëü) Учредители: ИФТТ РАН; ООО «Научно-техническое предприятие «Вираж-Центр» Редакция: ИФТТ РАН Ðîññèÿ, 142432, ã. Черноголовка Московской обл. Òåë./Ôàêñ: +7(49652)22493 http://www.issp.ac.ru Ведущий редактор: Н.А.Прокопенко Издательство: ООО НТП «Вираж-Центр» Ðîññèÿ, 105264, Ìîñêâà, óë. Верхняя Первомайская, ä. 49, êîðï. 1 офис 401. Почтовый àäðåññ: Ðîññèÿ, 105043, Ìîñêâà, à/ÿ 29 Òåë.: 7 495 290-34-73 http://www.machizdat.ru e-mail: virste@dol.ru Директор журнала: М.А.Мензуллов В¸рстка: А.А.Мензуллов Отпечатано: ООО «РПЦ ОФОРТ» г. Москва, ïð-êò Áóä¸ííîãî, 21 Заказ ¹ Тираж 100 Цена – договорная Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций. Свидетельсво о регистрации средства массовой информации ¹ ÔÑ77-33449 от 08.10.2008. Авторы опубликованных материалов несут полную ответственность за достоверность привед¸нных сведений, а также за наличие в них данных, не подлежащих открытой публикации. Материалы рецензируются. Перепечатка, все виды копирования и воспроизведения материалов, публикуемых в журнале, осуществляются только с разрешения редакции. На первой стр. обложки: Рис. 1. Композитная сетчатая конструкция Из статьи: КОНТИНУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ КОМПОЗИТНЫХ СЕТЧАТЫХ ОБОЛОЧЕК, ОБРАЗОВАННЫХ СИСТЕМОЙ СПИРАЛЬНЫХ РЕБЕР Èçäà¸òñÿ с 2009 ã.

Стр.1

Composites and Nanostructures http://www.issp.ac.ru/journal/composites/ ISSN 1999-7590 Editor-in-Chief Professor Sergei T. Mileiko Editorial Board Professor M.I. Alymov (Russia); Professor R.A. Andriyevskii (Russia); Professor B.D. Annin (Russia); Dr Yu.O. Bakhvalov, (Russia); Professor A.R. Bunsell (France); Professor K.K. Chawla (USA); Professor T-W Chou (USA); Dr T. Ishihara (Japan); Professor Sh. Du (China); Professor D.V. Georgievskii (Russia); Professor A.M. Gleser (Russia); Professor A. Kohyama (Japan); Professor Yu.R. Kolobov (Russia); Professor V.I. Kostikov (Russia); Professor W.M. Kriven (USA); Professor A.M. Kuperman (Russia); Professor S.V. Lomov (Belgium); Professor S.A. Lurie (Russia); Professor L.M. Manocha (India); Professor V.M. Orera (Spain); Professor S.A. Patlazhan (Russia); Professor B.E. Pobyedrya (Russia); Professor S.B. Sapozhnikov (Russia); Professor H. Schneider (Germany); Dr Shmotin Yu. N. (Russia); Dr T.G. Sorina (Russia); Professor A.M. Stolin (Russia); Professor K. Schulte (Germany); Professor V.G. Sevastyanov (Russia); Professor G.C. Sih (USA); Dr M. Singh (USA); Professor V.V. Vikulin (Russia); Professor L.R. Vishnyakov (Ukrain); Professor H.D. Wagner (Israel) Established by: Solid State Physics Institute Russian Academy of Sciences (ISSP RAS) and Science Technical Enterprise «Virag-Centre» LTD ISSP RAS: 2, Institutskaya str., Chernogolovka, Moscow district., Russia, 142432 Tel./Fax: +7(49652)22493 http://www.issp.ac.ru/journal/composites/ Editor: Nelli Prokopenko Publishing House: STE Virag-Centre LTD 49/1, Verchnyaya Pervomayskaya str., Moscow, Russia, 105043. Phone: 7 495 290 34 73 http://www.mashizdat.ru Director of journal M.A. Menzullov Making-up A.A.Menzullov Photo on the cover: Fig. 1. Composite lattice structure CONTINUUM MODEL OF COMPOSITE LATTICE SHELLS FORMED BY HELICAL RIBS

Стр.2

Композиты и наноструктуры COMPOSITES and NANOSTRUCTURES СОДЕРЖАНИЕ С.Т. Милейко СИНЕРГИЗМ В ÊÎÌÏÎÇÈÒÀÕ.................................................................................................................................................................................... 191 Известное определение композита, даваемое оксфордским словар¸м, - как неоднородной смеси соедин¸нных между собой двух или более фаз, - не акцентирует внимание на одном из важнейших свойств композита, возникающим в результате должным образом конструирования композита. Более того, превалирующее положение в приложениях последних десятилетий лишь одного семейства композитов – углепластиков – заставило научную и технологическую общественность сфокусироваться на одном только примере синергизма в композитах, на трещиностойкости углепластиков- высокопрочных композитах благодаря высокой прочности волокна. Цель настоящей статьи – привлечь внимание исследователей к целому ряду синергетических эффектов, наблюдаемых как в композитах с пластичной металлической матрицей, так и в композитах с хрупкой матрицей. В частности, показано, что взаимное влияние волокна и матрицы в композите может существенно изменить свойства компонентов; уч¸т этих изменений позволяет оптимизировать как структуру композита, так и технологию его получения. Армирование тугоплавкой матрицы волокнами должного хим. состава может на порядки уменьшить скорость окисления матрицы. Взаимодействие хрупких компонентов в композите определяет нечувствительность композитов типа хрупкое-хрупкое к дефектам (c. 191–206; èë. 14). Р.А.Андриевский НАНОМАТЕРИАЛЫ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ÓÑËÎÂÈßÕ...................................................................................................................................... 207 В обзоре кратко анализируется состояние результатов недавних исследований консолидированных наноматериалов в экстремальных условиях, особенно под действием комбинированных воздействий типа коррозионного растрескивания под напряжением, совместного влияния облучения и нагрева и т.д. Особое внимание уделено характеристике наноструктур, способных сохранять свои свойства в экстремальных условиях. В этом отношении наиболее перспективными кажутся двойниковые и градиентные наноструктуры. Отмечены малоизученные проблемы (ñ. 207–215; èë. 6). A.R.Bunsell, A.Thionnet ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ДОЛГОВРЕМЕННУЮ НАД¨ЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ, АРМИРОВАННЫХ ÓÃËÅÂÎËÎÊÍÎÌ....................................................................................................................................... 216 Современные композиты используют в настоящее время во многих критически важных гражданских приложениях, для которых долговременная над¸жность абсолютно необходима. Методы испытаний, применяемые для более традиционных металлических конструкций, как сейчас ясно, не дают достаточно над¸жных результатов, будучи примен¸нными к композитным конструкциям. Поэтому очевидна необходимость разработки новых методов, основанных на понимании процессов повреждения композитных элементов. Многоуровневое моделирование, учитывающее характеристики волокон, матрицы и границы раздела, к настоящему времени достаточно развито. Оно позволяет исследовать накопление повреждений на стадии их устойчивого роста и определить критическую величину повреждения, определяющую разрушение конструкции в заданных условиях нагружения. Эта информация позволяет определить количественно коэффициент безопасности на основе знания характеристик структуры композита (ñ. 216–224; èë. 5). Suresh Kumar, Rajesh Chandra, Anil Kumar, N. Eswara Prasad and L.M. Manocha КОМПОЗИТЫ УГЛЕВОЛОКО – SiC ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ ...................................................................................................... 225 Композиты с углеволокном в карбид-кремниевой матрице (C-SiC) являются идеальным материалом для снарядов с управляемым вектором тяги благодаря их высокой удельной прочности, сопротивлению эрозии и высокой температуре использования. Управление вектором тяги необходимо на начальной фазе запуска снаряда, когда аэродинамической силы недостаточно для нужного маневрирования. Среда, в которой работают направляющие лопатки в сопле, весьма агрессивна; при температурах до 2500о K потока со скоростями 3-4 М газ может нести тв¸рдые мелкие частицы оксида алюминия, вызывающие эрозию. Для получения композитных лопаток разработан управляемый технологический процесс, основанный на инфильтрации расплава кремния. Лопатки были успешно испытаны в условиях работы совместно с твердотопливным ракетным двигателем. Настоящая статья описывает исследования, направленные на технологию получения лопаток (ñ. 225–230; èë. 4). А.В.Игнатова, С.Б.Сапожников ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ АРАМИДНОЙ ТКАНИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЕМ ЭНЕРГИИ УДАРА В СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТАХ .................................................................................................................................................. 231 Представлены экспериментальные результаты по влиянию поверхностной обработки арамидной ткани полимерными композициями, содержащими наноалмазы и углеродные нанотрубки, на эффективность рассеяния кинетической энергии пули фрикционными эффектами. В первой части статьи представлены квазистатические испытания - вытягивание нити из арамидной ткани полотняного переплетения P110. Во второй части проведены баллистические испытания для определения влияния поверхностной обработки ткани на величину глубины вмятины в специальном пластилине. Для примера поверхностная обработка тканей с утяжелением до 6% позволяет увеличить фрикционное взаимодействие между нитями в 4 раза и приводит к снижению прогиба тканевого пакета при локальном ударе примерно на 20%. Показано также, что обработка вязкими жидкостями, эффективная при квазистатическом вытягивании нитей, теряет свою эффективность при локальном ударе (ñ. 231–240; èë. 6). С.А.Фирстов, В.Ф.Горбань, Н.А.Крапивка, Э.П.Печковский, М.В.Карпец, А.В.Самелюк, В.Н.Ткач ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛИТЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЭКВИАТОМНЫХ ÑÏËÀÂÎÂ, СОДЕРЖАЩИХ M-ÔÀÇÓ ................................................................................... 241 Изучены 7 литых многокомпонентных (5-7 элементов из числа Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni) эквиатомных трехфазных ñïëàâîâ, которые содержат поликомпонентные интерметаллидные µ-фазы (включают µ-образующие элементы Mo, W, Fe, Co) в сочетании с твердыми растворами замещения, которые имеют ОЦК и ГЦК кристаллические решетки. Все сплавы содержат вольфрам. С учетом индивидуальных характеристик металлов, а также электронной концентрации Csd сплавов данного типа установлены закономерности и особенности формирования фазового состава и количественного соотношения фаз при кристаллизации и их влияние на механические свойства. При кристаллизации расплава в первую очередь при температуре выше 2000 о основе вольфрама (∼60 àò. %) и молибдена (∼30 àò. %), который структурно представлен в виде дендритов. При температуре 1400-1500 о С кристаллизуется ОЦК-твердый раствор замещения на С образуется поликомпонентная µ-фаза, которая включает все элементы химического шихтового состава; содержание элементов близко к эквиатомному. Она также структурно представлена в виде дендритов, которые непосредственно прилегают практически ко всем первичным дендритам ÎÖÊ-ôàçû. Затем при температурах 1270-1360 о С кристаллизуется ГЦК-твердый раствор замещения на основе ГЦК-металлов (их суммарное содержание составляет ∼70 ат. %). ГЦК-фаза располагается в промежутках между дендритами и кристаллами µ-фазы, главным образом, в составе эвтектики, вторым компонентом которой является µ-фаза. Максимальное количество µ- и ОЦК-фаз в сплаве находится на уровне 50 ìàññ. %, ÃÖÊ-ôàçû – на уровне 65 ìàññ. %. С увеличением электронной концентрации от Csd = 7,40 до Csd = 8,00 эл/ат химического шихтового состава сплава количество µ-фазы в нем снижается от 50 до ∼10 ìàññ. %; в пределах Csd = 7,60-8,00 ýë/àò количество ÃÖÊ- и ÎÖÊ-ôàç незначительно возрастает. Оптимальное сочетание высокотемпературных прочностных и пластических характеристик сплавов достигается при количественном соотношении µ-, ОЦК- и ГЦК-фаз на уровне, соответственно, 40-45-15 масс. %. Приведенный модуль упругости при индентировании Er при комнатной температуре находится в пределах Er © ИФТТ РАН «Композиты и íàíîñòðóêòóðû». 2015 = 130-190 ГПа (ñ. 241–258; èë. 7). Том 7 ¹ 4 2015

Стр.3

Volume 7 ¹ 4 2015 Mileiko S.T. SYNERGY IN COMPOSITES .............................................................................................................................................................................. 191 A well-known definition of composite as «a heterogeneous mixture of two or more homogeneous phases which have been bonded together» (Oxford dictionary) does not stress at an important property of the composite aroused as a result of appropriate mixing phases in composites. Moreover, an overwhelming growth of applications in the last decades of just one family of the composites - a family of carbon fibre reinforced plastics - makes people to focus on just one example of synergy in composites that is fracture toughness of the FRP, which are inherently strong due to the fibre. A purpose of the present paper is to draw attention to a number of the synergy effects arising in both ductile-metal matrix composites and brittle-matrix composites. In particular, it is shown that fibre/matrix interactions in a composite can affect essentially properties of the components. The composite microstructure and fabrication technology of composite elements can be optimized provided the effects mentioned are taken into account. Reinforcing refractory-metal matrix with a fibre of an appropriate chemical composition can yield a decrease by orders of the magnitudes in oxidation rate of the matrix. An interaction of brittle components in brittle-fibre/brittle-matrix composites determines damage tolerance of the composites (p. 191-206; fig. 14). R.A. Andrievski NANOMATERIALS IN EXTREME ENVIRONMENTS .......................................................................................... .......................................... 207 The present review briefly examines results of the latest research of nanomaterials behavior under extreme conditions, especially in the case of combined effects of stress corrosion cracking, joint effect of temperature and irradiation, etc. Particular attention is paid to the characterization of nanostructures able to maintain their properties under extreme conditions. Twinned and gradient structures seem to be particularly promising for usage under extreme conditions. Lesser known problems are noted (p. 207–215; fig. 6). A.R.Bunsell, A.Thionnet FAILURE PROCESSES GOVERNING LONG TERM RELIABILITY OF CARBON FIBRE COMPOSITE STRUCTURES ................................................................................................................................................... 216 Advanced composites are now used in many critical civil applications for which long term reliability is an absolute necessity. Testing based on more traditional metal structures has been shown to be inappropriate and there is a pressing need to develop new tests based on an understanding of damage processes in composite structures. Multi-scale modelling which takes into account the characteristics of the fibres, matrix and fibre/matrix interfaces is now well developed. It allows the kinetics of fibre failure during monotonic loading and sustained loading of composites to be explored and identifies the critical damage levels leading to failure for these loading conditions. This information allows safety factors based on the intrinsic properties of the composites to be determined and quantified (p. 145–150; fig. 5). Suresh Kuma, Rajesh Chandra, Anil Kumar, N. Eswara Prasad and L.M. Manocha C/SIC COMPOSITES FOR PROPULSION APPLICATION ............................................................................................................................... 225 Carbon fiber reinforced silicon carbide (C-SiC) composites are ideal materials for thrust vectoring control of missiles due to their high specific strength, erosion resistance and high temperature capability. Jet-vanes based thrust vectoring control is required in the initial phase of the launch where aerodynamic forces are insufficient to get required maneuverability. The environment experienced by the jet-vanes is very severe with typical gases temperature around 2500K at about 3-4 Mach; the exhaust gases contain hard tiny particles of alumina and results in severe erosion of jet-vanes. An indigenized technology based on liquid-silicon-infiltration method is developed for C-SiC composite jet-vanes. The jet-vanes have been tested and repeatedly performed successfully in solid propellant rocket motor. This paper describes the research efforts put for developing the technology and fabrication of the Jet-Vanes (p. 225–230; fig. 4). I.V.Ignatova, S.B.Sapozhnikov SURFACE TREATMENT OF ARAMID FABRICS TO THE CONTROL IMPACT ENERGY ABSORPTION IN LAYERED COMPOSITES ............................................................................................... ..................................................... 231 An experimental study of an effect of aramid fabric surface treatment by polymer compositions with nanodiamonds or carbon nanotubes on impact energy dissipation were presented. Dry friction between yarns of fabric is an effective way to absorb kinetic energy of a bullet. In the first part of the paper, the results of quasi-static yarn pull-out test of aramid plain woven fabric is presented. In the second part, the ballistic tests conducted to determine an effect of the surface treatment on the depth of indentations in a special plasticine. For example, surface treatment of fabrics with addition of just 5 wt. % increases the frictional interaction between yarns by 4 times and reduces the deflection of multilayer textile package under a local impact by about 20%. It is also shown that the viscous fluid, which is working effectively under quasi-static yarn pull-out test, loses its effectiveness under local impact (p. 231–240; fig. 6). S.A.Firstov, V.F.Gorban, N.A.Krapivka, E.P.Pechkovsky, M.V.Karpets, A.V.Sameljuk, V.N. Tkach FORMATION OF PHASE COMPOSITION AND MECHANICAL PROPERTIES OF CAST MULTICOMPONENT EQUIATOMIC ALLOYS WITH µ-PHAS..................................................................................................................... 258 Seven cast multicomponent (5-7 elements, among which Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni) equiatomic three-phase alloys are studied. They contain intermetallic polycomponent µ- phases that include µ-forming elements Mo, W, Fe, Co) together with BCC- and FCC-substitutional solid solutions. Tungsten is present in all alloys. Formation of the phase compositions of the alloys was studied taking into account individual characteristics of the chemical elements and their electronic concentration Csd. At melt crystallization at a temperature higher than 2000 °Ñ, BCC-substitutional solid solution crystallizes on the basis of tungsten (∼60 àò. %) and molybdenum (∼30 àò. %) is crystallized first as dendrites. At temperatures between 1400 and 1500 °Ñ a polycomponent µ-phase, which includes all elements, is formed; the contents of elements being close to equiatomic. It has also a dendrite shape, contacts all primary dendrites BCC-phase. Then at temperatures 1270-1360 °Ñ, FCC-substitutional solid solutions crystallizes on the basis of FCCmetals (their total content is ∼70 at. %). It locates mainly between dendrites and crystals of µ-phase in composition of eutectic in which the µphase is second component. The maximum quantity of µ- and BCC-phases in an alloy is about 50 mass. %, FCC-phase is about 65 mass. %. When electronic concentration increases from Csd = 7.40 up to Csd = 8.00 el/at the quantity of µ-phase decreases from 50 to ∼10 mass. % in the interval of Csd between 7.60 and 8.00 el/at, the quantity of FCC and BCC-phases is going up just slightly. An optimum combination, high-temperature strength and ductility of alloys is achieved at a quantitative ratio of µ-, BCC- and FCC-phases equal to 40-45-15 mass. %. The elastic modulus of alloys at room temperature measured by indentation is between 130 and 190 GPa (p. 241–258; fig.7). © ИФТТ РАН «Композиты и íàíîñòðóêòóðû». 2015 Композиты и наноструктуры COMPOSITES and NANOSTRUCTURES CONTENS

Стр.4