Композиты — это сложные материалы, которые состоят из нескольких компонентов. В авиационной и космической отрасли, например, среди композитов распространены полимерные углепластики. Они используются для создания различных деталей для самолетов - шасси, лопастей винтов, обшивки и других. Полимерная основа укрепляется углеродным волокном, что повышает ее прочность и устойчивость к нагрузкам. Однако, несмотря на то, что композиты становятся более надежными, они все еще подвежены разрушению из-за особенностей эксплуатации.
Ученые выяснили, как повысить надежность отечественных самолетов
В аэрокосмической, автомобильной промышленности и морском транспорте активно применяют материалы на основе полимерной смолы с добавлением углеродных волокон. Из них делают ответственные конструкции, которые часто подвергаются ударам, например, когда самолет сталкивается с ледяными частицами или жестко садится. Все эти моменты инженерам приходится предусматривать при создании критически важных деталей, чтобы повысить надежность транспорта. Более точно проектировать конструкции из композитов и учитывать их стойкость к механическим воздействиям при эксплуатации позволят результаты нового исследования российских ученых.
Freepik
Ученые Пермского Политеха исследовали, как разная энергия ударов о полимерные углепластики влияет на их дальнейшую «склонность» к разрушению.
Надежные, но хрупкие: особенности композитов
Типичный вид повреждения слоистых композитов при ударе – растрескивание. Оно считается критичным для углепластиков, ведь распространяется вдоль волокон. Это приводит к их разрыву и расслоению материала под сильным напряжением. Последствием может стать разрушение ответственной конструкции и прилегающих к ней деталей, а значит, появляется риск выхода из строя всего механизма, например, авиадвигателя.
Для того, чтобы повысить безопасность техники и прогнозировать «поведение» конструкций, ученые активно изучают процессы деформации композитов. Материалы тестируют и испытывают на прочность современными методами, такими как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений. Первый способ позволяет с помощью датчиков фиксировать сигналы упругих волн, возникающих при повреждениях. Второй же обнаруживает развитие дефектов благодаря высокоточным камерам.
Прогнозирование «поведения» композитов
Ученые ПНИПУ впервые применили комплекс методов и изучили, как композитный материал реагирует на предварительные воздействия. В ходе эксперимента образцы в виде коротких балок бросали с применением падающего груза, чтобы сымитировать удар. Затем проверялось, как падения влияют на способность слоев композита держаться вместе и не смещаться относительно друг друга. К балкам также прикрепили датчики, которые определяли место и характер нанесенного урона по звуковым волнам.
«Мы выявили, что чем выше предварительная нагрузка, тем больше сигналов выдают анализаторы и тем серьезнее ущерб. Типы повреждений "звучат" на определенных частотах. Низкие (50-130 кГц) показали, что материал начал трескаться внутри, средние (270-320 кГц) – что слои отделились друг от друга, а высокие (670-750 кГц) – что волокна композита разорвались. Касаемо прочности материала можно сказать, что удары с энергией 1 и 3 Джоуля (Дж) на нее практически не влияют. А вот 5 Дж становится "точкой невозврата", после которой устойчивость к сдвигу слоев падает на 50%, что критично для углепластиков», – рассказывает Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
Все это говорит о том, что полимерные композиты могут сохранить жесткость, несущую способность и устойчивость к сдвигу слоев, только при невысоких ударных воздействиях. При более сильных конструкция становится уязвимой и с большей вероятностью деформируется в процессе эксплуатации.
Новое исследование дает более полное представление о том, как ведут себя материалы ответственных конструкций в разных отраслях промышленности. Учет этой информации поможет точнее проектировать изделия из полимерных углепластиков, тем самым снижая риск их разрушения.