Российские ученые разработали инновационный подход к исследованию структуры композиционных материалов, изменяющейся под внешним воздействием, в реальном времени. Методика предоставляет важные данные, которые теперь можно испытывать в камере сканирующего электронного микроскопа. Полученные результаты можно использовать для надежных расчетов прочности, что сэкономит затраты при производстве и испытании авто- и аэрокосмических деталей.
В современной авиации и космонавтике особенно ценятся материалы с высокой удельной прочностью, легкостью, долговечностью и живучестью при разрушении. Одним из них является углепластик, но из него трудно проектировать изделия из-за неоднородной композитной природы: сочетания углеродных волокон и полимерной матрицы. В частности, процессы разрушения гораздо сложнее, чем в металлических сплавах. Инженерам требуются новые расчетно-экспериментальные подходы.
В традиционных методах испытаний углепластика используются крупные образцы. К тому же, анализ разрушения проводится уже на деформированном после испытаний композите, поэтому упускаются детали о взаимодействии волокна с матрицей, распределении внутренних напряжений.
С помощью электронного микроскопа ученые НИТУ МИСИС, Сколтеха и МАИ отследили изменения, происходящие в миниатюрных образцах углепластика непосредственно в условиях механической нагрузки, растягивая пластинки материала толщиной 0,5 миллиметров.
«Чтобы гарантировать стабильность свойств углекомпозитов, было предложено начинать их изучение на микроуровне, а затем с помощью компьютерного моделирования и эксперимента перенести данные на более крупные объекты. Это позволит избежать необходимости каждый раз использовать большие образцы. Так мы смогли в реальном времени изучить микродеформационные процессы, влияющие на механическое поведение композита. Метод in situ зафиксировал динамику деформации, появления трещин и взаимодействие между волокнами и матрицей во время растяжения», — рассказал доцент кафедры физической химии, сотрудник лаборатории «ЛУЧ» НИТУ МИСИС Евгений Статник.
Все изменения и нарушения структуры полимерных композитов на уровне отдельных волокон и эпоксидной матрицы, исследователи фиксируют цифровыми камерами. С помощью алгоритмов, анализирующих видеоданные, ученые увидели нюансы деформаций и определили типы дефектов, которые могут ухудшить свойства исследуемого материала.
«Результаты нашего исследования помогут предсказывать зарождение и развитие повреждений в композитах, а это, в свою очередь, удешевит и усовершенствует разработку деталей для самолетов, транспорта, космической техники, строительных материалов, спортоборудования из углепластиковых композитов», — добавил Евгений Статник.
Подробности исследования опубликованы в научном журнале Fracture and Structural Integrity (Q2). Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России.