Чем отличаются композиты и металлические сплавы

Ученые из Сколковского института науки и технологий, Московского авиационного института и Национального исследовательского технологического университета МИСИС разработали новаторскую методику для испытания на прочность полимерных композитов, армированных углеродным волокном. Такие материалы широко используют в современной авиационной и аэрокосмической промышленности. Новый способ предполагает проводить исследования на объеме материала около 1 см3.

Как объяснили разработчики, полимерные композиты достаточно прочны и устойчивы к деформациям, что позволяет снизить массу изготовленных из них конструкций (например, по сравнению с алюминиевыми сплавами). Однако ряд проблем ограничивает использование этих материалов. В частности, процессы их разрушения гораздо сложнее, чем в металлических сплавах, традиционных для авиации и космонавтики. Это требует пересмотра расчетно-экспериментальных подходов.

— Например, для металлов достаточно знать их химический состав и историю термомеханической обработки, чтобы предсказать основные механические характеристики образцов и поведение материала в готовом изделии. С композитами так не получится: их свойства на уровне образца и готового изделия могут значительно отличаться. Чтобы гарантировать стабильность свойств углекомпозитов, было предложено начинать их изучение на микроуровне, а затем с помощью компьютерного моделирования и рационального эксперимента переносить эти данные на более крупные объекты. Это позволит избежать необходимости каждый раз изготавливать огромные образцы и нагружать их до разрушения, чтобы понять, как работает материал, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, заместитель руководителя Лаборатории ускоренных частиц «ЛУЧ» НИТУ МИСИС Алексей Салимон.

Как проводят исследования на мини-образцах материала

Он объяснил, что для реализации технологии разработан специальный лабораторный испытательный комплекс. Он может помещаться, например, внутри сканирующего электронного микроскопа. Устройство представляет собой специальную раму, на которой закреплены различные детали: датчик усилия, микродвигатели и приводы. Управление ими производится дистанционно, через специальный порт в вакуумной камере сканирующего электронного микроскопа.

Во время испытаний, сообщил ученый, миниатюрные образцы закрепляют на раме в захватах и деформируют в контролируемом режиме. Максимальное усилие, с которым при этом возможно воздействовать на материал, составляет порядка 50 килограмм-силы (вес килограмма при стандартной силе тяжести). Устройство позволяет проводить испытания на изгиб, растяжение и сжатие.

— Материалы, произведенные аддитивным способом — такие, как композиты, — обладают сильной анизотропией свойств (неодинаковостью физических свойств тела внутри него). Традиционно испытания проводят на больших образцах, что требует значительного расхода материала и сложных экспериментальных установок. Мы показали, что эти данные соответствуют тем, которые можно получить на миниатюрных образцах. Причем последние изготовить проще и дешевле, а при наличии их большого количества можно провести множество испытаний и собрать большой статистически значимый объем данных, — пояснил научный сотрудник Центра системного проектирования Сколтеха Евгений Статник.

На следующем этапе, уточнил он, полученные данные используют для расчетно-экспериментальной корреляции, то есть подтверждения математических моделей. Такое сочетание экспериментальных и вычислительных данных позволяет минимизировать погрешности и получить более полное представление о свойствах материала.

При этом, отметил исследователь, все изменения, которые происходят в материале, исследователи фиксируют с помощью цифровых камер. На каждом шаге нагружения получается изображение исключительно высокого разрешения.

Как объяснил разработчик и конструктор, это позволяет в реальном времени наблюдать деформации и нарушения структуры полимерных композитов на уровне отдельных волокон и эпоксидной матрицы. Стоит отметить, что размер одного углеволокна — около 5–7 микрон, а эпоксидной прослойки между ними — тоже единицы микрон.

— Истоки повреждений и уязвимости материала кроются именно в его микроструктуре и мелкомасштабных деформациях. Мы применили собственные алгоритмы для анализа цифровых видеоданных, которые позволяют на основе полученных в микроскопе детальных изображений увидеть нюансы концентрации деформаций и определить типы дефектов, которые послужили причиной ухудшения свойств исследуемого образца, — пояснил руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Сколтеха, профессор Александр Корсунский.

В конечном счете, подчеркнул он, эти данные помогают точно локализовать и предсказать зарождение и развитие повреждений. Это дает возможность надежно рассчитывать прочность материала, чтобы еще на этапе разработки добиться его требуемых характеристик. А это, в свою очередь, ускорит разработку новых самолетов и космических аппаратов.

Изучение микропроцессов в материале

— Свойства полимеров с эпоксидной матрицей, армированных углеродным волокном, зависят от множества факторов. Например, от направления армирующих волокон, их сочетания со связующим веществом и так далее. Поэтому безопасное применение композитов в авиационном и аэрокосмическом материаловедении требует всестороннего изучения и многократных испытаний, — отметил старший научный сотрудник кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева Евгений Куркин.

По его словам, сокращение размеров образцов позволит увеличить количество экспериментов и нарастить статистику. В результате инженеры получат возможность делать более точные выводы с меньшими затратами. Аналогичные исследования проводят и в других научно-исследовательских учреждениях, в том числе и в Самарском университете.

— Разработка необходима для анализа микропроцессов, которые происходят в композиционных материалах под нагрузкой. Такие данные очень ценные, так как знание механизма протекания процесса дает возможность управления им, — прокомментировал директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.

Например, сообщил он, можно определить баланс между смачиваемостью поверхности, адгезией (сцеплением поверхностей разнородных твердых и/или жидких тел) на межфазной границе наполнителя и матрицы и шероховатостью, необходимой для предотвращения выскальзывания волокна из матрицы под нагрузкой.

Существуют компьютерные системы для моделирования таких процессов, но всегда оставалось большим вопросом, насколько модель совпадает с реальным объектом. Предложенная методика дает возможность совместить эти данные, резюмировал эксперт.

— Основное преимущество композитных материалов в авиации и космосе — их высокая удельная прочность, что позволяет экономить вес летательного либо космического аппарата. Также существует возможность выгодно использовать локальную анизотропию (внутреннюю неравномерность). Например, расположить армирование так, чтобы максимальную прочность конструкция демонстрировала именно в направлении приложения основной нагрузки, — сказал заместитель директора по науке и инновациям АО «НИИграфит» Артур Гареев.

Вместе с тем он отметил, что использование совсем малых образцов может конфликтовать с самой структурой материала. Например, будет происходить потеря контакта нитей армирования со связующим, из-за чего прочность композитного материала не сможет реализоваться в полной мере.

По мнению эксперта, для масштабной модели придется создавать отдельно полный комплект оснастки, что также потребует дополнительных расходов. В целом, в простых нагружениях, где такая методика может быть использована с достаточной степенью уверенности, на самом деле нет нужды в верификации расчетов на масштабных образцах. Грамотно проведенный расчет для таких случаев совпадет с результатом реального нагружения очень близко, добавил он.