Развитие авиационной, космической, автомобильной отраслей сегодня сложно представить без использования углепластиков. Эти композитные материалы получили широкое распространение благодаря своим уникальным свойствам. Однако на практике материалы уступают другим композитам в трещиностойкости. Ученый из Южно-Уральского государственного университета вместе с бельгийскими коллегами продемонстрировали материал, который устойчив к трещинам. Исследование стало новым шагом в решении проблемы создания трещиностойких псевдопластических композитов.Статья об исследовании критической энергии развития трещин в гибридных композитах опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Composite Structures».
Трещины в прочных композитах
Композитные материалы из углепластика применяются не один десяток лет. Особенно популярно их использование в авиации и космонавтике. В этих сферах ценятся материалы, которые мало весят, но при этом обладают достаточной прочностью. Углепластики удовлетворяют этот запрос: они устойчивы к температурам и коррозии, прочные и жесткие. Однако обладают меньшей трещиностойкостью, чем, например, стеклопластики. Если на конструкцию из такого материала попытаться приложить силу больше, чем она способен выдержать, то конструкция практически мгновенно разрушится. Поэтому ученым, которые исследуют композиты, важно проверить способность каждого материала к перегрузкам и определить их трещиностойкость.
Профессор ЮУрГУ, декан Заочного факультета Политехнического института ЮУрГУ Сергей Сапожников провел соответствующее исследование на новом углеродном композите. Этот уникальный гибридный материал был создан на основе свервысокомодульного и высокопрочного углепластиков. Ранее их между собой не объединяли, и тема критической энергии развития трещины для такого гибрида не была освещена в научной литературе.
Работу реализовали вместе с коллегами из Лёвенского католического университета (Бельгия). По их предложению Сергей Сапожников из лучших японских компонентов создал новый углеродный композит в соответствии со своими теоретическими разработками. На первом этапе ученые смоделировали ситуацию, в которой каждый образец композита имел искусственную трещину. Для этого при создании композитов внутрь заложили тонкую алюминиевую фольгу. Затем такую «трещину» продолжали до нужной длины, расклинивая образец. Из испытаний определили трансверсально-сдвиговую трещиностойкость материала. Для доказательства обнаруженной высокой трещиностойкости за счет эффекта связывания контактирующих поверхностей из разных композитов применили сканирующую электронную микроскопию и микрокомпьютерную рентгеновскую томографию.
«Развитие трещин — вещь на практике нежелательная, потому что если они достигают критической длины, то вся конструкция разрушается. При этом внешне деформация при появлении и развитии трещины может быть незаметна. Испытания, которые мы провели, нужны, чтобы в будущем работать с элементами конструкций из углепластика, в которых возможны трещины. Наше исследование дает основу для создания псевдопластических композитов из исследованных материалов с очень высокой сдвиговой трещиностойкостью. Это дорогие, легкие, прочные материалы и, ко всему этому, практически нечувствительные к концентраторам напряжений. Этим и привлекательные!» — рассказал Сергей Сапожников.
Фундамент для дальнейших исследований
Трансверально-сдвиговая трещиностойкость не входит напрямую в расчеты при проектировании конструкций. Поэтому, объяснил профессор, непосредственного практического применения у проведенного исследования нет. Однако команда ученых называет работу фундаментальной, открывающей большие возможности создания новых материалов с уникальными свойствами из известных и сравнительно доступных компонентов, не имеющих по отдельности таких свойств. В печати уже находится статья, посвященная характеристикам нового псевдопластического углепластика, созданного этой же группой ученых. Также специалисты, до этого изучившие свойства гибридного композита при однократном нагружении, намерены проверить, как поведет себя материал при циклических нагрузках. Другими словами, тема получит развитие в исследовании усталостной прочности полимерных композитов.
Кроме того, профессор Сапожников вместе с коллегами из Лёвена планирует выступить на Европейской конференции и выставке композитов. Команда представит три доклада, посвященных новому виду материалов — псевдопластичных углепластиков — и их особенностям.
Мультидисциплинарные исследования в области материаловедения являются одним из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией и экологией.
ЮУрГУ — участник Проекта «5-100», призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров