Недавно мне попался график, иллюстрирующий выносливость яхтенных материалов. Он взят из книги «The Gougeon Brothers on Boat Construction», написанной специалистами компании, производящей смолы и расходные материалы для малого судостроения. Книга целиком посвящена древесно-эпоксидным композитам и связанными с ними технологиями. Увлекательная! :)
Усталость материалов
Усталость материала (англ. fatigue of materials) — деградация механических свойств материала в результате постепенного накопления повреждений под действием переменных (циклических) напряжений, которые обуславливает его разрушение за определённое время. Такой вид разрушения называют усталостным разрушением.
Способность материала противостоять разрушению при переменных напряжениях называется выносливостью.
Итак, материалы сильно различаются по своей выносливости. Некоторые из них прочны при ограниченном количестве нагрузок, но теряют значительную часть прочности при многократных нагрузках. Другие, в том числе древесина, уверенно противостоят разрушению даже после миллионов циклов растяжения/сжатия.
На графике по оси X отложено количество циклов нагружения материала, по оси Y - предельная однократная прочность материала, выраженная в процентах. Построенные кривые усталости показывают относительные значения прочности, сохранившейся у материалов после заданного числа нагружений.
Что же мы видим? - Древесина в сочетании с эпоксидной смолой на первом миллионе циклов показывает стойкость, превосходящую даже карбон. И это не только результат 400 миллионов лет эволюции деревьев на Земле, но и эффект от поверхностной обработки эпоксидной смолой.
Усталость разделяют на малоцикловую (до 10000 циклов) и многоцикловую - она то нас и интересует. Для многих материалов кривые усталости после 100 млн циклов имеют вид горизонтальной прямой.
Так вот, многоцикловая усталость развивается под действием циклической нагрузки, которая вызывает деформации сдвига поверхностных слоёв и ускоренное образование микротрещин. Поверхностные микротрещины зарождают крупные усталостные трещины с проникновением в материал кислорода, влаги, солей, микроорганизмов и грибков. А дальше и до разрушения недалеко. Но, если пропитать поверхностный слой древесины правильной эпоксидкой (всего-навсего), то получится материал с новыми свойствами. Во всяком случае, так утверждает упомянутая выше книжка.
Древесно-эпоксидный композит
ДЭК — материал, сочетающий натуральную древесину и синтетическую эпоксидную смолу. Он представляет собой слои деревянных ламелей, пропитанных эпоксидной смолой. Речь в статье идёт не про вакуумную инфузию (это более сложная технология стабилизации древесины), а про пропитку обычной кистью. Ламели не должны быть крупными (сечение ламелей в среднем 30*15 мм). Пример ДЭК — реечная обшивка на деревянных судах. Но если такую обшивку оклеить стеклотканью, то это уже будет древесно-стеклопластиковый композит.
ДЭК превосходит по прочности традиционную древесину (на изгиб, растяжение и сжатие). Эпоксидная смола укрепляет поверхность древесины, заполняет микропоры и трещины, создавая монолитную структуру. Я имел возможность убедиться в этом: склеивая рейки "на ус" с фаской 1/12 и испытывая прочность клеевых соединений, я заметил, что что соединения прочнее самой рейки.
Сравнивая ДЭК с металлами и стеклопластиком, можно сделать вывод, что при равном весе он демонстрирует сопоставимую прочность (а то и большую), что открывает возможности для снижения массы судна без потери надежности.
Эпоксидная смола защищает древесину от впитывания воды, гниения и воздействия солей, образуя надёжный барьерный слой. Отдельные ламели оказываются изолированными друг от друга смолой — это препятствие для распространения гнили. Готовое изделие рекомендуется покрывать тремя слоями эпоксидной смолы - только тогда образуется действительно надежный барьер. Следует учитывать, что добавление в смолу растворителей нарушает её барьерные свойства, т. к. растворитель, испаряясь, оставляет открытые поры (заполненные воздухом микрополости).
ДЭК имеет высокую ремонтопригодность - поврежденные участки могут быть восстановлены локально, используя те же самые материалы: эпоксидную смолу и древесину.
И ещё несколько преимуществ ДЭК: высокая тепло и звукоизоляция, технологичность (доступность технологии для малых малых мастерских), удобство при единичном производстве изделий, эстетика естественной структуры древесины, относительно низкая цена.
Миллион циклов нагружения - это много?
Считается, что связанные с волнами циклические нагрузки приходят каждые 3 секунды. Это 20 циклов в минуту, 1200 циклов в час, 28800 циклов в сутки. Миллион циклов нагружения произойдёт всего лишь через 35 суток шторма. Поэтому лодки и яхты для экстремальных условий предпочитают строить из углепластика, прекрасно сохраняющего свойства через десятки миллионов циклов, или из иных материалов, но с 5-6 кратным запасом прочности. А вот требования к материалам для лодки выходного дня, встречающейся с водой раз в неделю на пару часов, будут значительно мягче.
Итог
Выделю два момента:
- древесину рано списывать со счетов — это заслуживающий внимания материал с уникальными свойствами, которые проявляются и усиливаются благодаря современным эпоксидным составам;
- представления о прочности и надежности материалов, полученные, к примеру, на прогулочной лодке, не имеют ничего общего с опытом и требованиями к судам для океанских переходов и экстремальных условий эксплуатации.