В конструкциях аэрокосмического назначения, например, БПЛА, а также морского транспорта и автомобилей все чаще применяют крепкий, но сверхлегкий углепластик, который по своим характеристикам превосходит высокопрочную сталь. Для активного внедрения любого материала в промышленность важно знать, какие эксплуатационные нагрузки приведут к его разрушению. Основное повреждение слоистых композитов, к которым как раз относится углепластик, при ударе – это растрескивание полимерного основания. При дальнейших нагрузках трещины распространяются, приводят к расслоению материала и разрыву волокон. Поэтому крайне важно изучать возможные механизмы деформации слоистых композитов. Ученые Пермского Политеха провели исследования над углепластиком и выяснили, какая нагрузка несет разрушающий характер. Результаты позволят спрогнозировать сценарий повреждения тех или иных конструкций, тем самым повысить их надежность.

Статья с результатами опубликована в журнале «Деформация и разрушение материалов», 2024 год. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10205.

Углепластик – это полимерное основание, армированное углеродными волокнами (нитями). Эти нити очень тонкие и обеспечивают жесткость и прочность по оси волокон. Из них сплетаются ткани, которые кладутся друг на друга слоями и скрепляются с помощью специальных смол. Так получается композитный материал со структурой типа многослойного «пакета». Он обладает чрезвычайной способностью выдерживать высокие нагрузки и более чем на 30–50% легче традиционных металлических материалов. Поэтому углепластик очень подходит для облегчения конструкций ракетно-космической техники и многих других видов транспорта.

В процессе производства и эксплуатации композиционные элементы конструкции постоянно подвергаются ударным воздействиям, которые могут вызвать микроповреждения материала и снизить его прочность. Поэтому важно детально изучать, как те или иные нагрузки могут повлиять на работоспособность композита, прежде чем использовать его по назначению.

Для такого слоистого композита, как углепластик, критическим видом разрушения является межслойный сдвиг, когда под сильным напряжением происходит смещение между двумя слоями, например, в основании лопатки авиационного двигателя. Чтобы изучить предел этой деформации, при которой дальнейшая эксплуатация материала будет невозможной, ее моделируют и проводят испытания на прочность. Именно такие исследования выполнили ученые Пермского Политеха. С помощью современных методов экспериментальной механики они испытали межслойный сдвиг углепластика предварительными ударными воздействиями (то есть сначала исследовали образцы на удар, а затем на межслоевой сдвиг).

– Совмещение моделирования испытаний на прочность и таких методов, как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений позволяет достаточно точно регистрировать и устанавливать вид повреждений, вызываемых сдвиговыми деформациями. Первый – регистрирует сигналы акустических волн, испускаемых объектом, благодаря чему качественно оценивается состояние повреждения композитов. А второй метод позволяет обнаружить локализацию и развитие различных дефектов структур в процессе нагружения, регистрируя поля перемещений и деформаций, – рассказывает аспирант кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерина Чеботарева.

Политехники провели эксперименты с образцами углепластика с межслойным сдвигом в виде коротких балок. Их подвергали ударному воздействию энергией 1, 3, 5 и 6 Дж (мощность удара) падающим грузом. От начала механических испытаний до полного разрушения образцов все время регистрировали сигналы акустической эмиссии и поля деформаций. В итоге получили диаграммы статического нагружения после предварительного удара разной мощности и определили значения остаточной прочности углепластика при межслоевом сдвиге.

Результаты предварительного удара энергией 1 и 3 Дж практически не отличаются от исходных образцов. Они имеют схожие значения разрушающей нагрузки и прочности. А удар энергией в 5 Дж уже считается «приграничным». Он приводит к смене механизма разрушения, снижению жесткости и несущей способности углепластика.

Значения акустической эмиссии представлены в виде пиковых амплитуд. Чем выше сигнал, тем сильнее разрушение материала. Так, для образцов с ударом 5 и 6 Дж значение амплитуд в 3-4 раза больше, они достигают 75 дБ уже в начале испытания, что говорит о критическом разрыве волокон в структуре углепластика.

– Анализ акустических частот показывает нам степень повреждений. Например, растрескивание матрицы соответствует низкочастотному диапазону, расслоение материала – средним частотам, а разрушение волокна – высоким. Для образцов с ударом в 5-6 Дж количество сигналов во всех трех диапазонах больше, чем у образцов первой группы в 6 раз. Преобладают разрушения от сжатия и смятия с локальными расслоениями в материале, – объясняет старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук Дмитрий Лобанов.

Исследования ученых ПНИПУ показали, что предварительные ударные воздействия с энергией удара 1 и 3 Дж не оказывают существенного влияния на разрушения образцов из углепластика. Тогда как для 5-6 Дж повреждения фиксируются с самого начала испытаний, появляются сильные расслоения и растрескивается основа материала. Проведенные испытания позволят точнее предсказать поведения конструкций из углепластика, повысить их надежность и долговечность.

В последнее время при проектировании эндопротезов и имплантатов применяют углеродные композиционные материалы. Они безопасны и биологически хорошо совместимы с тканями человека. По статистике, риск возможных инфекционных осложнений после хирургического вмешательства составляет около 5%, что негативно сказывается на качестве лечения. Поэтому для внедрения в клиническую практику новых композиционных материалов необходимо подобрать способ их эффективной стерилизации. При этом важно сохранить прочность материала. Ученые ПНИПУ подобрали режим радиационного обеззараживания нового углеродного материала «Углекон-МЯ», при котором достигается 100% очищение имплантата от патогенных микроорганизмов, и при этом практически не снижаются прочностные характеристики материала.

Статья с результатами опубликована в «Российском журнале биомеханики» №4, 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» и проекта № FSNM- 2023-0003.

Деформации и переломы позвоночника, рак, травмы, врожденные аномалии могут стать причиной образования крупных костных дефектов. Чтобы восстановить целостность архитектуры патологически измененной костной ткани, выявленное нарушение замещают имплантатом. Так сокращаются сроки реабилитации пациента, и восстанавливается его полноценная жизнь.

Углеком-МЯ — это перспективный углеродный композиционный материал с высокопористой мелкоячеистой структурой. Он прочен, биосовместим и безопасен для человека, не вызывает аутоиммунные и аллергические реакции. Кость прорастает внутрь имплантата, и это обеспечивает его надежную интеграцию с окружающими тканями. Для серийного применения нового материала в лечебной практике важно изучить все аспекты его правильного использования. В том числе подобрать способ очищения от патогенных микроорганизмов, чтобы не допустить инфекционных осложнений.

В медицине качество стерилизации имеет серьезное значение. Особенно это относится и к имплантатам, так как они непосредственно взаимодействуют с тканями организма. Для каждого материала подбирают свой наиболее эффективный способ обеззараживания. Стерильность имплантатов, как правило, достигается путем обработки материала сухим жаром или специальными растворами и газами. Для Углеком-МЯ данные способы малоэффективны, поскольку, не могут гарантировать 100% стерильность внутренней поверхности пор.

— Обеззараживание радиацией остается практически единственным эффективным способом для имплантатов из высокопористого углерода. Она обеспечивает полное уничтожение микроорганизмов, однако при этом нужно подобрать такую дозу облучения, которая не окажет значительного влияния на механические свойства материала. Это особенно важно для имплантатов, используемых для заполнения объемных костных полостей в опорных сегментах скелета, например, в бедренной кости. Они испытывают серьезные эксплуатационные нагрузки, поэтому стерилизация не должна снизить прочность материала. Мы изучили, как влияет та или иная доза радиации на стерильность Углеком-МЯ и при этом экспериментально оценивали его механические свойства, — поделился кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Владимир Онискив.

Для эксперимента ученые изготовили 12 образцов Углеком-МЯ в виде сдвоенных пластин и заразили их различными штаммами бактерий, которые широко распространены в природе и продуктах питания. Один зараженный образец не подвергался радиации, остальные облучались дозами от 2.5 до 10 Мрад.

В итоге рост микроорганизмов зафиксирован только в контрольном необлученном образце. На остальных размножения бактерий не произошло. Это говорит о том, что исследованные дозы радиационного воздействия гамма-облучением, в том числе и минимальная, обладают бактерицидным эффектом и на 100% стерилизуют углеродный имплантат. Испытания механических свойств образцов показали, что дозы выше 2.5 Мрад приводят к радиационной деструкции, из-за чего прочность материала снижается на 12%.

— В ходе проведенного исследования, мы установили, что облучение в дозе 2.5 Мрад полностью стерилизует рассматриваемый материал, и повышать радиационное воздействие нет необходимости. Использование доз меньше этого значения нецелесообразно, так как в природе могут встречаться более устойчивые штаммы бактерий, чем выбранные нами, — объясняет Владимир Онискив.

Ученые Пермского Политеха определили допустимую норму гамма-облучения, которая обеспечивает требуемый уровень стерильности и не снижает прочность углеродного композиционного материала «Углекон-МЯ». При таких условиях его использование в качестве имплантата для замещения костного дефекта человека будет безопасным и эффективным. Благодаря проведенному исследованию материал в скором времени начнут широко применять в медицине.

Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не выяснено. Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Статья с результатами опубликована в журнале «Цифровая наука», 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы (С-26/591).

Базальт – это наиболее распространенная порода в составе земной коры. По своей сути это магма, излившаяся из жерл вулканов и застывшая камнем. Его месторождения есть практически во всех странах, их запасы огромны, поэтому использование такого материала в промышленности экономически выгодно.

Благодаря своим уникальным свойствам и сравнительной дешевизне базальт – один из самых востребованных материалов. Он экологически чистый, не горит и выдерживает температуры до 400℃, прочен, устойчив к механическим и химическим воздействиям. Базальтовые волокна широко применяются в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой отрасли, строительстве и медицине. Они используются при армировании бетона, производстве цистерн и баллонов, протезов, конструировании элементов морских судов и трубопроводов.

Чем надежнее материал, тем шире сфера его применения. Научное сообщество активно исследует способы повышения прочности современных композитов, используя в том числе гамма-облучение. Уже известно, что оно может улучшить упругие и прочностные характеристики базальт-композита. Однако существует риск деструктивных изменений, поэтому важно разобраться, как именно гамма-кванты воздействуют на структуру композита в микромасштабе.

– Мы облучили образцы композиционного материала, состоящего из эпоксидного связующего и базальтового ровинга (жгута из волокон). С помощью сканирующей электронной микроскопии изучили локальный элементный состав композита при нарастающих дозах облучения, – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Владимир Онискив.

Ученые выделили три группы образцов. Первая не облучалась, а использовалась для сравнения характеристик. На остальные воздействовали гамма-квантами в различных дозах (5, 10 и 15 Мрад). Время испытания зависело от запланированной дозы, например, до 15 Мрад образец облучался в течение 14 дней.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что радиационное воздействие меняет состав материала. При дозе в 5 Мрад массовая доля углерода в эпоксидной части резко снижается, но увеличивается доля кислорода и появляется кремний. В базальте, наоборот, доля углерода увеличивается, а кислорода и кремния – снижается. Это говорит о том, что в материале формируются новые межмолекулярные связи (сшивка) с образованием органо-силикатно-кремниевых соединений, что приводит к упрочнению композита.

При дальнейшем облучении до 10 Мрад сшивка продолжается, но ее скорость заметно снижается. Поглощаемая энергия облучения становится уже избыточной. Доза 15 Мрад приводит к обратному процессу – деструкции композита.

Исследование ученых Пермского Политеха позволяет на молекулярном уровне обосновать, как гамма-кванты влияют на базальт-композиты. Политехники рекомендуют такой способ модификации материала для его упрочнения. Однако доза облучения не должна превышать 10 Мрад, а мощность излучения – 12 рад/сек. Результаты исследования помогут создавать ответственные изделия с улучшенными механическими свойствами.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» №75, 2023 год. Результаты получены при выполнении государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

Композиционные материалы состоят из двух или более различных компонентов, которые при объединении образуют совершенно новый материал с уникальными свойствами. Они используются практически во всех отраслях промышленности для изготовления корпусов самолетов, рулей, деталей кузова, медицинских протезов, оконных рам, различных покрытий. При производстве композита в него можно внедрить волоконно-оптические датчики и так контролировать весь процесс изготовления изделия, отслеживать малейшие внутренние нарушения.

Контроль технологических деформаций в материале повысит качество изготовления композитных изделий и снизит вероятность дефектообразования. Сейчас вопрос такого внедрения оптоволокна рассматривается лишь на уровне лабораторных исследований. Ученые ПНИПУ предложили регистрировать технологические деформации в материале с помощью внедренных в его структуру датчиков на основе волоконных брэгговских решеток.

В основе работы таких приборов лежит распространяющаяся световая волна. Ее свойства изменяются вместе с измеряемой физической величиной. Брэгговские решетки находятся в сердцевине оптоволокна. Они отражают световой сигнал, длина волны которого смещается вместе с изменением температуры, напряжения или деформации. Измерение этой зависимости позволит регистрировать нарушения внутри изделия.

Важный аспект изготовления композита – контроль его напряжений, из-за которых образуются деформации. Волоконно-оптические датчики, внедренные в структуру композита, могут зафиксировать возникающие напряжения в полимерной матрице (основе композита) за счет своих малых габаритов и высокой чувствительности.

Политехники фиксировали технологические деформации с помощью устройства интеррогатора. Он генерирует и передает по оптическому волокну световой сигнал. В ходе эксперимента в композиционный материал на глубину 15 мм ученые внедрили два датчика: для контроля температуры и деформаций.

– В результате мы зафиксировали нарушения на уровне 0,10073 и 0,07156%, что может существенно повлиять на образование пор, расслоений и других дефектов в материале. Это малые деформации, однако даже они могут привести к тому, что деталь будет создана или с браком, или сломается в процессе эксплуатации, – объясняет кандидат технических наук, директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы ПНИПУ Глеб Шипунов.

Исследования, проведенные учеными Пермского Политеха, доказали, что волоконно-оптические датчики позволяют с высокой точностью контролировать технологические напряжения и деформации, возникающие в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. Реализованная идея уникальна, с применением такой технологии на производстве контролировать нарушения в композитах будет проще и эффективнее.