В современных условиях полимерные композиционные материалы широко востребованы в авиационной и ракетно-космической промышленности. Уникальное сочетание в них нескольких компонентов с разными свойствами образует более прочный, долговечный и легкий материал. Отечественные предприятия заинтересованы в том, чтобы с его помощью расширять производство изделий ответственного назначения. Это позволит выполнить одну из ключевых задач, поставленных Правительством РФ, – обеспечение ускоренного технологического развития страны. Но прежде чем массово изготавливать детали из полимерных композитов, необходимо проводить испытания материала, которые занимают технологическое время. Ученые Пермского Политеха разработали методику для определения одного из ключевых параметров, влияющих на качество и характеристики будущего композитного изделия. Ее применение в 2 раза сокращает время на производственные испытания.

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» №4, 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

При изготовлении композитного материала в качестве основы (связующего) используют смолу, в которую постепенно добавляют различные укрепляющие наполнители, например, углеродное волокно. Оно стало востребовано из-за уникальных характеристик: высокой прочности, малого веса, гибкости, термической и химической стойкости. Углепластик успешно и эффективно применяют для создания более легких и долговечных деталей авиационной и ракетной техники.

Важнейший этап внедрения получаемого материала в части летательного аппарата – это проведение испытаний и изучение его физико-химических характеристик. Так исследуют плотность, толщину слоев, степень полимеризации и содержание полимерного связующего в составе. От последних 2-х параметров зависят эксплуатационные свойства и безотказная надежность всей конструкции.

Выделяют несколько основных методов определения содержания полимера в материалах из углепластика, но каждый из них имеет свои недостатки – пониженную точность, большую длительность испытания или серьезную опасность для специалиста во время использования кислот при высоких температурах. В настоящее время для серийного производства деталей из полимерных композитов необходим достоверный и наименее времязатратный способ.

Ученые Пермского Политеха разработали и предлагают использовать для этого технологию низкотемпературного сольволиза. Она заключается в использовании индивидуальных химических сред, которые инициируют ускорение разрушения полимерной сетки, при этом сохраняя поверхность армирующего наполнителя. Для исследования изготовили растворные составы, включающие серную кислоту, пероксид водорода и специальные добавки – инициаторы реакции, позволяющие снизить температуру разложения полимера.  

Политехники разработали методику проведения испытаний углепластика указанным способом и сравнили ее с широко применяемыми на практике методами – травлением в агрессивных средах, где связующее длительно разлагается в кислотах, и расчетным, где по известным значениям плотности и количества слоев математически вычисляется толщина пластика.

Для проверки предложенной технологии исследователи предварительно просушивали и взвешивали образцы углепластика с разными типами волокон и схемами их укладки, затем помещали их в закрытую емкость с раствором и нагревали до растворения полимера. После этого смесь охлаждали, фильтровали и снова взвешивали.

– В сравнении с другими методами, разработанный нами не уступает в достоверности, отклонение значений показателя составляет не более 2%. При этом процессе длительность анализа составила 2 часа 30 минут, что в два раза меньше аналогичных способов определения содержания связующего, – рассказывает Галина Шайдурова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.

Разработанная методика ученых и аспирантов Пермского Политеха по определению содержания полимерной основы в углепластиках позволяет вдвое сократить технологическое время проведения испытаний. Технология перспективна для серийного отечественного производства ответственных деталей из композитов.

Композиционные изделия – это соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании образуют новый материал с лучшими качествами. Обычно их создают на основе полимера с внедрением внутрь волокон, которые повышают прочность изделия. Такие объекты широко применяют в аэрокосмической, строительной и медицинской отраслях. При производстве и эксплуатации сложных конструкций из композита в структуре накапливаются напряжения, которые со временем приводят к разрушению. Ученые ПНИПУ с помощью комбинированного метода исследовали, как деформируется конструкция в зависимости от способа укладки волокон и надреза материала. Результаты способствуют созданию качественных ответственных сооружений, например, деталей авиадвигателя и имплантов для замещения костной ткани.

Статья с результатами опубликована в журнале «Reinforced Plastics and Composites», 2024 год. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-00113).

Сложные композитные конструкции изготавливают путем соединения более простых деталей. Для их сборки и крепления друг с другом сверлят отверстия, но из-за этого образуются напряжения. При надрезе материала они концентрируются вокруг выреза, что существенно снижает прочность и срок службы изделия.

Сейчас, чтобы сократить временные и материальные затраты на экспериментальные исследования, актуально совершенствовать способы для предварительного расчета состояния и долговечности конструкции. Ученые Пермского Политеха предложили комбинированный метод, который включает в себя сразу несколько диагностических технологий: цифровую корреляцию изображений, микроскопию, регистрацию сигналов акустической эмиссии и конечно-элементный анализ. Их сочетание позволило выявить, как схемы укладки и ориентации отверстий влияют на механизм разрушения композитов.

В работе исследовались прямоугольные полимерные образцы, армированные углеродными волокнами по двум схемам – вдоль оси изделия и под углом. На них выполнили отверстия в трех вариантах направления: 0°, 90° и 45°. Испытания проводили для образцов с вырезами и без них, одновременно происходила регистрация деформаций и перемещений на поверхности.

– Мы выяснили, что укладка волокон вдоль изделия и наличие отверстий приводит к снижению средних предельных напряжений по сравнению с вариантом без вырезов. А отверстия в образцах с укладкой под углом не влияет на существенное изменение несущей способности. Микроструктурный анализ показал, что к основным типами разрушения относятся растрескивание полимерного основания, разделение слоев и разрушение волокна, – поделилась Елена Струнгарь, старший научный сотрудник центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

– Во время экспериментов мы проводили запись акустико-эмиссионных сигналов от начала испытания до полного разрушения образцов. Они позволяют качественно оценить степень повреждения композита. У образцов с разной структурой армирования количество сигналов отличается. Так, например, при укладке волокон под углом они сразу достигают высокого значения и при нагрузке увеличиваются. Под микроскопом видно, что в этот момент происходит деформация проточек, вытягивание волокон, и начинается отслоение полимера от углерода, – рассказывает Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Подход ученых Пермского Политеха позволил комплексно исследовать процессы деформирования полимерных композитов, укрепленных углеродным волокном. Результаты способствуют качественному прогнозу появления повреждений в конструкции и степени ее разрушения в процессе эксплуатации.

Ученые ПНИПУ изучили влияние наиболее частых технологических дефектов и разработали способ прогнозирования последствий таких неисправностей. Политехники предложили фиксировать процесс расслоения углепластика новым методом – с использованием системы акустической эмиссии (в этом методе фиксируют звуковые волны, которые испускает материал). Благодаря амплитудно-частотным характеристикам от получаемого акустического сигнала этот способ позволяет выделять механизмы разрушения, и в частности – процесс расслоения.

– Мы стремились оценить влияние внутренних технологических дефектов на поведение углепластика. Для этого использовались образцы из пластин, внутри которых были заложены имитаторы таких дефектов. Их воздействие мы определяли при испытании на сжатие. Перемещения образцов фиксировались с помощью трехмерной цифровой оптической системы. При испытаниях мы определяли максимальные напряжения и модуль упругости. В системе акустической эмиссии тем временем непрерывно регистрировались сигналы, – рассказывает лаборант центра экспериментальной механики ПНИПУ Екатерина Чеботарева.

Все испытанные образцы разрушались от расслоения и теряли устойчивость. Ученые ПНИПУ определили, что это зависит от типа дефекта. По результатам обработки политехники получили графики прогиба материала в зависимости от нагрузки. На совместных диаграммах акустической эмиссии и датчика нагрузки стало видно, что при первоначальном расслоении уровень сигналов растет быстрее, чем снижается нагрузка. Однако в образцах с дефектом «смятие слоя»  пик сигнала не совпадает с максимальной нагрузкой.

Уровень сигналов акустической эмиссии на протяжении всего испытания был низким. C началом разрыва волокон значения этого параметра увеличиваются на несколько порядков, и наблюдается пик, затем образец разрушается. Интерес представил процесс расслоения, который не фиксируется по данным оптической системы, но прослеживается по акустическим сигналам – в этот момент они резко увеличиваются.

Политехники заметили, что количество сигналов растет в начале испытания, затем либо снижается, либо держится на одном уровне. При разрушении и достижении максимальной нагрузки фиксируется максимальное количество сигналов. У образцов без дефекта количество сигналов находится в одном диапазоне на протяжении всего испытания.

– Наше исследование показало, что потеря устойчивости возникает еще до достижения предела прочности при сжатии углепластика. Отсутствие даже одного слоя волокна влияет как на весь процесс, так и на критическое напряжение, при котором происходит потеря устойчивости. Форма дефекта тоже играет роль. Например, у круглого радиусы, распложенные вдоль направления сжатия, несут поддерживающую роль по сравнению с прямоугольным дефектом, при котором потеря устойчивости происходит чуть раньше, – говорит доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Станислав Словиков.

Ученые ПНИПУ выяснили, как именно такие частые дефекты, как «непроклей» и «смятие слоя» влияют на разрушение углепластика. Благодаря этому исследованию можно будет прогнозировать разрушение авиационных деталей, подбирать оптимальные условия их использования и сократить количество поломок.

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.