Как предсказать разрушение композитных конструкций и сделать технические объекты безопаснее – выяснили ученые ПНИПУ⁠⁠

Композиционные материалы широко применяются в авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности в связи с их высокой прочностью, малой массой и устойчивостью к коррозии. Для повышения надежности конструкций из композитов важно учитывать, как при их эксплуатации накапливаются повреждения в структуре материала. Ученые Пермского Политеха разработали модель и изучили процессы разрушения слоистого композита при его закритическом деформировании. Это особая стадия, возникающая после достижения максимальной нагрузки. Модель позволит точнее прогнозировать поведение конструкций, что повысит безопасность технических объектов.

Статья опубликована в журнале «Acta Mechanica Sinica», декабрь 2023. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-19-00765).

Обычно конструкции разрушаются, когда достигаются критические деформации, но так происходит не всегда. Материал продолжает накапливать повреждения и может перейти на новую стадию – закритическое деформирование. Это момент, который предшествует полной потере несущей способности (разрушению), когда происходит постепенное падение нагрузки при растущих деформациях.

Композиты – материалы с уникальными характеристиками, состоящие из двух или более компонентов с различными физическими свойствами. В их составе выделяют матрицу (основной элемент) и наполнитель с функцией армирования (укрепления). Эти материалы обладают высокой прочностью при небольшом весе, что, например, позволяет снизить расход топлива самолетами за счет уменьшения их массы. В сравнении с металлами композиты обладают высокой устойчивостью к коррозии и химическим воздействиям, что делает их подходящими для использования в агрессивных средах.

Ученые Пермского Политеха экспериментально исследовали закритическое деформирование слоистого композита, армированного углеродным волокном. Этот материал используется при создании легких, но прочных деталей: от хоккейных клюшек до лопаток авиационного двигателя. Для выявления закономерностей разрушения политехники провели испытания на растяжение образцов, вырезанных в различных направлениях. Комплексные испытания проведены на базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ с использованием современных испытательных установок и систем дополнительного анализа.

– При растяжении в средней части образца появляется сужение или по-другому «шейка», которая приводит к сложному напряженному состоянию. В этом случае для корректного определения свойств материала стандартного оборудования недостаточно, поэтому мы использовали бесконтактную оптическую видеосистему VIC-3D. С её помощью можно определять перемещения и деформации на поверхности образцов. Нам удалось впервые построить экспериментальные диаграммы деформирования композита, на которых реализуется закритическая стадия, — поделился кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ Елена Струнгарь.

– Для анализа механизмов накопления повреждений и разрушения композита мы использовали метод акустической эмиссии, он основан на регистрации упругих волн, которые распространяются в материале при разрушении элементов его структуры. Этот метод помог выявить, что закритическое деформирование композита сопровождается интенсивным разрушением отдельных углеродных волокон, образованием трещин в полимерной матрице, а еще нарушением связей между матрицей и волокнами, – рассказала аспирант кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерина Чеботарёва.

Ученые предложили новую модель механического поведения композитных материалов, которая учитывает выявленные закономерности их деформирования. Это позволит точнее предсказать поведение конструкций, повысить их надежность и снизить катастрофичность при разрушении технических объектов.