Учёные из Южно-Уральского государственного университета и Пермского национального исследовательского политехнического университета провели совместное исследование деформации усиленного стеклопластика при повторяющихся нагрузках. Были получены уникальные результаты по накоплению деформаций и микроповреждений при циклическом изгибе композита. Кроме того, команда учёных рассчитала коэффициент, при учёте которого можно в значительной мере предотвратить поломку деталей, сделанных из этого композита.
Доктор технических наук, профессор Политехнического института ЮУрГУ Сергей Сапожников, кандидат технических наук, доцент Михаил Жихарев и аспирантка ПНИПУ Екатерина Зубова провели серию экспериментов и исследовали статическую прочность и сверхмалоцикловую усталость (менее 100 циклов) стеклопластика полотняного переплетения. Армированный пластик СТЭФ™ подвергали трёхточечному изгибу во время эксперимента. Учёные провели измерения и отследили процесс деформации и возникновения микроповреждений. По итогам работы была опубликована статья в высокорейтинговом научном журнале Composite Structures (Q1).
Испытания на усталость при изгибе показали прогрессирующее смещение и неравномерное изменение жесткости образца. Это связано с двумя процессами: выпрямлением в направлении деформации и микроповреждениями – локальными расслоениями и разрывами волокон.
«Процесс микроповреждений в полимерных композитах сложен: повреждение распределено по всему образцу и не локализовано в единой точке, как в металлах. Среди современных конструкционных авиационных материалов полимерные композиты занимают особое место благодаря своей малой плотности, высокой жёсткости и прочности. Конструкции летательных аппаратов характеризуются цикличностью загрузки: взлёт, приземление, маневрирование и вибрация. Поэтому в конструкции и экспериментальной отработке агрегатов, кроме статических и прочностных проверок, проводятся многоцикловые (106–107 циклов) и малоцикловые (103–104 циклов) испытания. С появлением многоразовых аэрокосмических аппаратов и возвращаемых ракет-носителей потребность в исследованиях усталости материала на сверхнизких циклах (<100) увеличилась», – пояснил Сергей Сапожников.
Путем трёхточечного изгиба исследователи изучили статическую прочность и сверхмалоцикловую усталость (менее 100 циклов) армированного стеклопластика СТЭФ™. Испытания показали прогрессирующее одностороннее накопление деформаций и изменение жёсткости образца. Это связано с двумя процессами: выпрямлением волокон в изначально регулярно искривлённых нитях тканевого композита и накоплением микроповреждений — локальными расслоениями и разрывами наиболее нагруженных волокон
«Мы впервые показали, что ультрамалоцикловое (до 100 циклов) нагружение характеризуется усталостными явлениями и необходимо снижать нагрузки, чтобы исключить неожиданные поломки. Показано, что использование при проектировании коэффициента безопасности на уровне 1,5 может обеспечить сохранение прочности при ультрамаломалоцикловом нагружении. При проектировании обычных (одноразовых) ракет коэффициенты безопасности, как правило, ниже. В связи с этим циклическое повторение прежнего уровня полётных нагрузок может привести к внезапному разрушению ракеты и потере ценной полезной нагрузки. Отмечу, что прежде, при оценке циклической долговечности использовали кривые усталости, получаемые при массовых испытаниях образцов по различным программам нагружения. Новые данные по накоплению деформаций и микроповреждений в композите при циклическом нагружении позволят построить физически обоснованные модели разрушения композитов. Это было весьма недёшево и долго, но главное, при небольшом изменении, например, технологии производства композита или при замене полимерной матрицы на аналог от другого поставщика, приходилось вновь повторять всю программу усталостных испытаний. Физически обоснованные математические модели разрушения композитов позволят резко сократить объём испытаний без потери качества прогнозов. И мы этим активно занимаемся», – добавил Сергей Сапожников.
Важно отметить, что многоразовые аэрокосмические системы, созданные с применением композитных материалов, должны быть чрезвычайно лёгкими, прочными и безопасными в работе. При их проектировании необходимо учитывать ограниченную долговечность деталей под циклической нагрузкой и накопление рассеянных микроповреждений. Тип повреждения композита зависит от используемого материала, ориентации волокна, последовательности укладки и вида нагрузки. Работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В 2021 г. ЮУрГУ победил в конкурсе по программе «Приоритет 2030». Вуз выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ).