Армированные композиты — углепластики — превосходят металлы и сплавы по механическим свойствам и при этом весят в разы меньше их. Такие особенности делают композиты особенно востребованными в авиа- и ракетостроении. При этом, несмотря на существенные преимущества композитных материалов, заменить металлические конструкции на изделия из углепластиков пока затруднительно. Сложность заключается в прогнозировании поведения углепластиков при длительной эксплуатации. Решить эту задачу попытались сотрудники лаборатории акустической микроскопии подведомственного Минобрнауки России Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля Российской академии наук (ИБХФ РАН), которые разработали установку для описания механизмов разрушения армированных композитных материалов на микроскопическом уровне. Научному коллективу удалось найти, визуализировать и описать механизмы зарождения и роста повреждений при растяжении углепластиков.
Материалы, состоящие из двух и более компонентов, называют композитными. Они отличаются сложноорганизованной микроструктурой из волокон и полимерного связующего с различными физическими характеристиками. Сочетание компонентов друг с другом позволяет использовать лучшие свойства каждого из них. Так, в случае с армированными композитами (углепластиками), прочность углеродных волокон вместе с легкой полимерной смолой позволяют получить материал, который превосходит металлы и сплавы по механическим свойствам и при этом весит в десятки раз меньше их.
Несмотря на существенные преимущества композитных материалов, заменить металлические конструкции на изделия из углепластиков пока затруднительно. Сложность заключается в расчете остаточного ресурса композитных конструкций при длительной эксплуатации.
В отличие от металлов, для которых ученые и инженеры уже изучили процессы механического поведения при различных нагрузках, предсказать образование повреждений в углепластиках сложнее из-за их многокомпонентной структуры. Как правило, разрушения в таких составных материалах начинают формироваться на микроуровне на границе веществ. Со временем трещины размером в несколько микрон, образовавшиеся в различных областях углепластика в результате растягиваний, изгибов и ударных нагрузок, объединяются в макротрещину и расслоение приводит к разлому композитного изделия.
Исследования процессов формирования и развития повреждений в углепластиках ведутся на стыке нескольких научных направлений. Для изучения и наглядной визуализации процессов разрушения углепластиков на микроуровне в лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН была разработана специализированная установка. Чтобы получить изображение микроструктуры композитов, исследователи применили высокочастотную ультразвуковую микроскопию, которая позволяет увидеть в объеме материала элементы размером в несколько микрометров, оставляя при этом сам композит невредимым. Образующиеся в углепластиках пустоты или разрывы хорошо видны на таких ультразвуковых изображениях. С помощью этого метода ученым удалось найти, визуализировать и описать некоторые механизмы зарождения и роста повреждений при растяжении углепластиков.
«Проблема прочности и надежности армированных композитов остается актуальной как для фундаментальных исследований в области материаловедения и механики композитов, так и для их практического применения, в первую очередь в авиационных и аэрокосмических технологиях. Основой для развития представлений о прочностных свойствах материалов является изучение структурных изменений в процессе их механического нагружения», — пояснил старший научный сотрудник лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН Егор Мороков.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Москвы и частично в рамках госзадания Минобрнауки России. Результаты исследования опубликованы в одном из научных журналов.
В будущем научный коллектив планирует продолжить изучение процессов трансформации и перестройки объемной микроструктуры углепластиков от микро- до макроуровня под действием различных типов механических нагрузок.
Фотография экспериментальной установки — акустический микроскоп, совмещенный с горизонтальной машиной механического нагружения.
Ультразвуковые изображения, отображающие формирование, рост и развитие микротрещин и межграничных расслоений, на разных этапах механического нагружения материала.
