В аэрокосмической промышленности, а также в морском транспорте и автомобилестроении широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ), превосходящие по удельной прочности и жёсткости высокопрочные стали. Для активного внедрения любого материала важно знать, под каким давлением он разрушится. Для слоистых композитов, таких как углепластик, основная проблема – это растрескивание полимерного основания при ударе, что ведёт к расслоению материала и разрушению волокон.

Именно углеродное волокно придаёт материалу жёсткость и прочность. Из них сплетают ткани, которые укладываются разнонаправленными слоями и пропитываются эпоксидными смолами, создавая многослойную структуру. ПКМ на 30-50% легче традиционных металлов, что делает их идеальным для использования в аэро-космической технике и многих других видах транспорта.

В июне на встрече со студентами КНИТУ-КАИ управляющий директор АО «Туполев» Константин Тимофеев отвечая на вопрос, какой самолёт лучше: металлический или композитный, подчеркнул сложность оценки ресурса композитных изделий, отметив, что пока нет технологий, позволяющих подтвердить наличие или отсутствие разрушений на микроуровне. Также он заявил, что Boeing до сих пор изготавливает металлическое крыло, потому что есть возможность обеспечить идеальную клёпку соприкосновения крыльевых поверхностей – они стыкуются почти без зазоров, в том числе средства механизации, сообщает «Авиация России». 

В России изучение прочности и целостности композитных изделий средствами неразрушающего контроля ведутся ведущими научными центрами, в том числе Пермским Политехом (ПНИПУ), где методом акустической эмиссии были проведены исследования углепластика на предмет определения нагрузок, приводящих к его разрушению. Эти исследования помогут прогнозировать сценарии повреждения конструкций, повышая их надёжность и безопасность эксплуатации воздушного транспорта. Результаты работы опубликованы в майском номере журнала «Деформация и разрушение материалов» за 2024 год.

Для полимерных композитов критическим видом разрушения является межслойный сдвиг, который может произойти под сильным напряжением, например, в основании лопатки авиационного двигателя. Чтобы изучить предел этой деформации, учёные ПНИПУ исследовали ПКМ современными методами экспериментальной механики. Они контролировали межслойный сдвиг углепластика предварительными ударными воздействиями: сначала исследовали образцы на удар, а затем на межслоевой сдвиг.

«Совмещение моделирования испытаний на прочность и таких методов, как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений позволяет достаточно точно регистрировать и устанавливать вид повреждений, вызываемых сдвиговыми деформациями. Первый – регистрирует сигналы акустических волн, испускаемых объектом, благодаря чему качественно оценивается состояние повреждения композитов. А второй метод позволяет обнаружить локализацию и развитие различных дефектов структур в процессе нагружения, регистрируя поля перемещений и деформаций», – приводит комментарий аспиранта кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Екатерины Чеботарёвой пресс-служба университета.

Эксперименты проводились с образцами углепластика в виде коротких балок, которые подвергали ударам с энергией 1, 3,5 и 6 Дж. В процессе испытаний фиксировались сигналы акустической эмиссии и поля деформаций. Результаты показали, что удары с энергией 1 и 3 Дж не оказывают значительного влияния на материал, в то время как при ударах 5 и 6 Дж материал начинает разрушаться уже на начальных этапах экспериментов.

Методы акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений помогли точно установить вид повреждений и их локализацию. Удары энергией 5 и 6 Дж приводили к значительно более высоким пиковым амплитудам акустических сигналов и более частым повреждениям материала. Анализ акустических частот показал, что растрескивание матрицы соответствует низким частотам, расслоение материала – средним, а разрушение волокон – высоким.

Исследования учёных ПНИПУ позволили выяснить, что предварительные ударные воздействия с энергией удара 1 и 3 Дж не оказывают существенного влияния на разрушения образцов из ПКМ. Тогда как для 5-6 Дж повреждения фиксируются с самого начала испытаний, появляются сильные расслоения и растрескивается основа материала. Проведённые испытания позволят точнее предсказать поведения конструкций из углепластика, повысить их надёжность и долговечность.