挤压成形石墨的高温拉伸和弯曲性能 精灵论文

挤压成形石墨的高温拉伸和弯曲性能 精灵论文 挤压成形石墨的高温拉伸和弯曲性能 张程煜 (西北工业大学 超高温结构复合材料国家重点实验室，西安 710072) 摘要:本 文研究了挤压成形的石墨材料的高温拉伸和弯曲性能，并使用扫描电子显微镜进行 了断口 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。研究结果表明:室温到 2273K 的温度范围内，材料的强度和模量均随着温度 的升 高而增大。同时石墨具有明显的各向异性，径向的力学性能均大于轴向性能，这与石墨 微 晶的取向在两个方向的取向有密切关系。不论是轴向还是径向，石墨的弯曲强度和模量大 于拉伸强度和模量，表明石墨材料对应力梯度下的变形具有更大的抗力。 关键词:石墨; 拉伸强度;拉伸模量;弯曲强度;弯曲模量 中图分类号:TB32, TB35 Tensile and flexural properties of graphite at elevated temperatures Zhang Chengyu (National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, PO Box 547, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072) Abstract: The tensile and flexural properties of a kind of graphite made of extrusion molding had been investigated at high temperatures. The fracture morphology had been surveyed by a scanning electron microscope. The results show that the strengths and modulus increase with the temperature up to 2273 K. The radial properties of the material is apparently higher than the axial properties, showing that the anisotropic character of the graphite. It can be explained by the different orientation of basal planes of the graphite crystals. The flexural properties are higher than the tensile properties. This phenomena indicate that the graphite possesses higher resistance to stress gradient then uniform tensile stess. Key words: graphite; tensile strength; tensile modulus; flexural strength; flexural modulus 0 引言 石墨材料具有卓越的高温热稳定性、抗烧蚀能力、以及优异的吸收辐射的性能。在没有 冷却的情况下，其使用温度可高达 3273 K 以上，因此成为航天与核工业等部门不可缺少的 [1-3]高温结构材料。目前对石墨材料的室温力学性能有比较清楚的认识。一般认为石墨是一 [4]种脆性材料，其孔隙率和内部缺陷对材料的力学性能和断裂行为有显著影响。一方面石墨 的内部气孔降低了受到外力时的承载面积，同时导致应力集中。另一方面，裂纹总是在石墨 [5]内部的孔隙处形成。因此，随着石墨孔隙率的增加，石墨材料的拉伸强度增大。又因为石 [6]墨是由各向异性的晶体组成，如果石墨微晶的(002)面沿成型压力或者生长方向不同程度的 优先排列，其力学性能表现出各向异性。例如:平行于挤压方向的强度总大于垂直于挤压方 向的强度。 然而，作为高温结构材料，石墨材料的高温力学性能及断裂机制更应该值得关注。研究 石墨材料的高温力学性能及断裂行为不仅能够为材料选择、结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、工艺 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 提供依据， 还能够为揭示材料损伤发展过程和失效机制提供信息。已有的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 表明:尽管石墨材料的强 度低于金属材料的强度，但是其强度随温度升高的变化规律明显不同于金属材料。 基金项目:国家自然科学基金(50702045); 高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人 才支持计划 作者简介:张程煜(1974-)，男， 副教授，复合材料高温力学性能. E-mail: cyzhang@nwpu.edu.cn [1]C.Malmstrom 等人的研究表明:在 2773 K 以下，其强度随着温度的升高而增大。目前国 内对石墨的高温力学性能的研究尚缺乏深入研究。 因此，本文研究了一种石墨材料的高温拉伸和弯曲性能。研究了材料的拉伸强度、弹性 模量、弯曲强度和模量随温度的变化趋势，结合断口形貌对材料的断裂机制进行了分析，并 对材料的高温拉伸性能和弯曲性能进行了比较。 1 试验材料及过程 本文试验所用的石墨材料为挤压成形制备，密度为 1.82 g/cm3。在挤压成型过程中，石 墨微晶在压力的作用下沿径向和轴向的排列方式不同。因此本文研究了径向和轴向两个方向 的高温力学性能。具体取样方向如图 1 所示。 图 1 力学性能试样的取样方向示意图 Fig.1 machining directions of the graphite specimens 高温拉伸试验在乌克兰进口高温拉伸试验机上进行。高温性能的测试环境为真空，测试 温度分别为室温、773 K、1273 K、1773 K 和 2073 K。高温弯曲试验在 YKM-2200 型高温弯 曲试验机上进行，试样为长方体，长为 70 mm，宽为 5 mm，厚为 3.5 mm。采用三点弯曲法， 跨距为 60 mm，测试温度分别为室温、773 K、1273 K、1773 K 和 2273 K。两种试验的加载 速率、升温速率和保温时间分别为 0.5 mm/min，30 K/min 和 10 min，每组试验的有效试样 数为 5,7 个。试验结束后，使用扫描电子显微镜(SEM)对每种条件下的典型断口进行分 析。 2 结果与讨论 在所有的试验中，石墨的拉伸应力-应变曲线和弯曲载荷-挠度曲线都呈现脆性断裂的特 征，没有明显的塑性变形特征。根据获得的曲线可以计算得到各个温度下的拉伸强度、拉伸 模量、弯曲强度和弯曲模量等随温度变化的趋势。 σ t r 图 2 是石墨材料的拉伸强度和模量随温度的变化趋势。可以看出，径向强度( )和轴 σ σ σ t t t a r a 向强度( )均随温度升高而增大。2073 K 时的是室温强度的 1.92 倍，增加了 123%。 E E E t t t r a r同时径向模量( )和轴向模量( )也随温度升高而升高。与室温模量相比，2073 K 的 E t a 和 分别是室温模量的 1.27 倍和 1.91 倍。石墨的径向和轴向的弯曲强度和模量随温度的 σ σ b b r a 变化规律如图 3 所示。可以看出:径向弯曲强度( )、轴向弯曲强度( )、径向弯曲模量 E E b b r a ( )和轴向弯曲模量( )的变化趋势与拉伸强度和模量的变化规律相似，均随温度升高 而增大。 [7]石墨内部的空隙处引起应力集中。在高温下可以晶界可以滑动释放部分应力。因此随 着温度的升高，对于低温下局部应力超过断裂应力的地方，在高温时这些应力的释放导致材 料的断裂需要更大的应力。再者多晶石墨材料是由片状的石墨微晶组成的，这些石墨微晶的 [6]热膨胀系数具有各向异性，因此从高温冷却后，由于不同取向的石墨微晶之间会产生晶间 应力(或者叫内应力)。这种内应力也会随着温度的升高而降低，故强度随温度的上升而增 加。此外，这些内应力还可以导致材料内部微裂纹的产生，随着温度的升高，这些微裂纹的 尺寸会逐渐减小至临界裂纹尺寸以下。综合上述几方面的原因，石墨的强度和模量随着温度 的升高而增大。 24 10 E ta σ ta20 8 Etr σ tr16 6 12 4 8 2 4 (a) (b)Tensile strength/MPa 00 400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200 1600 2000 Temperature (K) Temperature (K) σ σ E E 2 ab图 石墨拉伸强度与拉伸弹性模量与温度的关系()和，() 和 t t t t r a r a and E Fig. 2 Dependence of (a) tensile strength ( σ and σ ) and (b) tensile modulus ( E ) on temperatures. t t t t r a ra 从图 2 和图 3 中能够可以看出:在相同的温度下，在测试温度范围内，径向的力学性能均大于轴向性能。 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 采用的挤压成形石墨的力学性能为各向异性的。石墨在制备过程中， 石墨微晶的(002)面沿着成形压力不同程度地优先排列，微晶面内材料的强度结合强度大， 而对于层间，它们的结合力是由范德瓦尔力结合的，所以形成的石墨材料就像石墨单晶那样 [6]表现出各向异性。由于本文试验用的石墨材料的微晶的(002)面在挤压加工过程中优先 沿径向排列，因此石墨材料轴向受力时，主要是分子间的范德华力起连接作用，因此强度较 低，而径向受弯曲应力时，主要是化学键力，因而强度要高。通过断口观察也可以获得这方 面的证据。图 4 显示了石墨材料 773 K 轴向和径向拉伸断口的形貌。可见二者有显著的区别， 说明材料的断裂机制的不同。在拉应力的作用下，裂纹总是沿着垂直于应力的方向扩展，对 于轴向拉伸试样，裂纹扩展方向与石墨微晶取向平行，微晶之间的结合力是较弱的范德瓦尔 Tensile modulous (GPa) 力，因此裂纹容易从微晶层片之间穿过，从图 4(a)所示，断口上可见平行于断口表明的 石墨微晶。而对于径向拉伸，裂纹扩展方向与石墨微晶垂直，因此需要克服较大的阻力。图 4(b)清楚的显示了径向拉伸断口上垂直于断口表明的石墨微晶。在其他条件下的试验也呈 现类似的特点。这种由于在轴向和径向上层状石墨微晶的取向不同导致了材料的力学性能在 这两个方向上有很大的区别。 24 12 Eba E σ br10 20 ba σ 8 br16 6 12 4 8 2 (b) 4 Flextural strength (MPa) (a) 0 0 400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200 1600 2000 Temperature (Κ) Temperature (K) σ σ E E 3 ab和，() 和 图 石墨的高温弯曲强度和模量。() b b b bar a r and E ) on temperatures. Fig. 3 Dependence of (a) flexural strength ( σ and σ ) and (b) flexural modulus ( E ba b b b ra r (b) (a) 图 4 773 K 轴向(a)和径向(b)拉伸断口形貌Flexural modulous (GPa) Fig.4 Fracture morphology of tensile specimens at 773 K in (a) axial direction and (b) radial direction. 比较图 2 和图 3，还可以发现，不论是轴向还是径向，石墨的弯曲强度和模量大于拉伸 σ σ σ σ 强度和模量。图 5(a)为轴向强度比/ 和径向强度比/ 随温度升高而变化的关系。 b t b t a a r r σ σ σ σ 可看出，为的 1.9-2.4 倍，为的 2-2.6 倍，结果与 J.E. Brocklehurst 等的结果 b t b t a a r r [8]接近，表明石墨材料对应力梯度下的变形具有更大的抗力。同时可知，在试验温度范围内， E E 石墨材料的弯曲强度和拉伸强度的比值随温度升高而降低。图 5(b)为径向模量比 / 和 b t a a E E E E E E 轴向模量之比 / 随温度变化的规律。在测试温度范围内，/ 为 1.25，/ b t b t b t r r r r a a 为 1.34，且不随温度的升高而变化。 3.0 1.8 Radial direction Axial direction Axial direction 1.6 Radial direction 2.5 1.4 1.2 2.0 1.0 1.5 0.8 (a) (b) 0.6 Ratio of flexural strength ot tensile strength 1.00 400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200 1600 2000 Temperature (K) Temperature (K) σ σ σ σ E E 图 5 拉伸和弯曲力学性能的关系。(a)轴向强度比/ 和径向强度比/ ，(b)轴向模量比 / 和径 b t b t b t a a r r r r E E 向模量比 / b t a a Fig. 5 Ratios of (a)axial strength and (b) axial modulus E E σ / σ and radial strengthσ / σ / and radial b t b t b t a a r rr r E E modulus at elevated temperatures. / b t a a 3 结论 1)挤压成型的石墨材料的力学性能呈现各向异性。在室温到 2273 K 下，径向的力学性 能均大于轴向性能。 2)在室温到 2273 K 下，石墨的强度和模量均随着温度的升高而增大。这与高温下空隙 处应力集中的释放、内应力的减小和材料内部微裂纹的减小有关。 3)石墨材料在相同温度下，径向的拉伸强度和初始弹性模量比轴向的高，轴向强度比 σ σ σ σ E E / 和径向强度比/ 随温度升高而降低，而轴向模量比 / 和径向模量比 Ratio of flextural modulous ot tensile modulous b b t t b t a a r r r r E E / 随温度升高基本不变。 b t a a [参考文献] (References) [1] M almstrom C, Keen R, Green L. 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