В Перми изучили, как разрушаются композитные материалы, используемые в авиадвигателях и медицинских имплантах.

Статья с результатами опубликована в журнале Reinforced Plastics and Composites. Данная работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда.

Сложные композитные конструкции создаются путем соединения более простых компонентов. Для их сборки и крепления между собой сверлят отверстия, что может привести к возникновению напряжений. При надрезе материала напряжения концентрируются вокруг выреза, что значительно уменьшает прочность и срок службы изделия.

В настоящее время, чтобы сократить временные и материальные затраты на экспериментальные исследования, важно улучшать методы предварительного расчета состояния и долговечности конструкции. Ученые Пермского Политеха предложили комбинированный метод, который включает несколько диагностических технологий: цифровую корреляцию изображений, микроскопию, регистрацию сигналов акустической эмиссии и конечно-элементный анализ. Их комбинация позволила выяснить, как схемы укладки и ориентации отверстий влияют на механизм разрушения композитов.

В исследовании анализировались прямоугольные полимерные образцы, армированные углеродными волокнами по двум схемам – вдоль оси изделия и под углом. В образцах были выполнены отверстия в трех направлениях: 0°, 90° и 45°. Испытания проводились как для образцов с вырезами, так и без них, одновременно регистрировались деформации и перемещения на поверхности.

«Мы обнаружили, что укладка волокон вдоль изделия и наличие отверстий приводит к снижению средних предельных напряжений по сравнению с образцами без вырезов. А отверстия в образцах с укладкой под углом не оказывают значительного влияния на несущую способность», – отметила Елена Струнгарь, старший научный сотрудник центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

«Во время экспериментов мы фиксировали акустико-эмиссионные сигналы от начала испытаний до полного разрушения образцов. Эти данные позволяют качественно оценить степень повреждения композита. У образцов с различной структурой армирования количество сигналов варьируется. Например, при укладке волокон под углом сигналы сразу достигают высокого значения и увеличиваются под нагрузкой. 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 всесторонне исследовать процессы деформирования полимерных композитов, укрепленных углеродным волокном. Результаты способствуют более качественному прогнозу появления повреждений в конструкции и степени ее разрушения в процессе эксплуатации.