Трещины в прочных композитах

Композитные материалы из углепластика используются не один десяток лет. Особенно широко их применение в авиации и космонавтике, где ценятся материалы легкие, но в то же время достаточно прочные. Углепластики удовлетворяют этим требованиям: они устойчивы к температурам и коррозии, прочны, жестки – однако обладают меньшей трещиностойкостью, чем, например, стеклопластики. Если к конструкции из такого материала попытаться приложить силу больше, чем она способна выдержать, то она разрушится практически мгновенно. Поэтому ученым, которые исследуют композиты, важно проверить способность каждого материала к перегрузкам и определить их трещиностойкость.

Доктор технических наук Сергей Сапожников провел соответствующее исследование на новом углеродном композите. Этот уникальный гибридный материал был создан на основе сверхвысокомодульного и высокопрочного углепластиков. Ранее их между собой не объединяли и тема критической энергии развития трещины для такого гибрида не освещалась в научной литературе.

Работа осуществлена вместе с бельгийскими коллегами – учеными из Лёвенского католического университета. По их предложению профессор 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. По результатам 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: 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, – рассказывает Сергей Борисович. – Наше исследование дает основу для создания псевдопластических композитов из исследованных материалов с очень высокой сдвиговой трещиностойкостью. Это дорогие материалы – зато легкие, прочные и к тому же практически нечувствительные к концентраторам напряжений. Этим они и привлекательны!

Фундамент для дальнейших исследований

Трансверсально-сдвиговая трещиностойкость не учитывается непосредственно в расчетах при проектировании конструкций. Поэтому, объяснил профессор Сапожников, 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 исследователей. Также специалисты, до этого изучившие свойства гибридного композита при однократном нагружении, намерены проверить, как он поведет себя 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 – псевдопластичным углепластикам – и их особенностям.