В аэрокосмической, автомобильной промышленности и морском транспорте активно применяют материалы на основе полимерной смолы с добавлением углеродных волокон. Из них делают ответственные конструкции, которые из-за особенностей эксплуатации постоянно подвергаются ударам. Примером такого ущерба может быть столкновение самолета с ледяными частицами, жесткое приземление и т.д. Все эти моменты нужно предусматривать при создании критически важных деталей, ведь подобные воздействия вызывают микроповреждения материала и снижают его надежность. Ученые Пермского Политеха исследовали, как разная энергия ударов о полимерные углепластики влияет на их дальнейшую "склонность" к разрушению. Это позволит более точно проектировать конструкции из этих композитов и учитывать их стойкость к механическим воздействиям при эксплуатации.

Статья опубликована в журнале "Springer Nature" за 2025 год. Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда № 25-29-00188.

Композиты - это материалы, состоящие из двух или более компонентов. Один из примеров - полимерные углепластики, популярные в авиационной и аэрокосмической отрасли. Их применяют для изготовления шасси, лопастей винтов, различных типов обшивки и т.д. Полимерную основу укрепляют углеродным волокном, чтобы повысить прочность и устойчивость к различным нагрузкам. Но несмотря на то, что она становится более надежной, она все еще подвержена рискам разрушения.

Типичный вид повреждения слоистых композитов при ударе - растрескивание. Оно считается критичным для углепластиков, ведь распространяется вдоль волокон. Это приводит к их разрыву и расслоению материала под сильным напряжением. Последствием может стать разрушение ответственной конструкции и прилегающих к ней деталей, а значит, появляется риск выхода из строя всего механизма, например, авиадвигателя.

Возможные процессы деформации композитов изучают и прогнозируют, чтобы оценить ресурс конструкций. Материалы проверяют в испытаниях на прочность современными методами, такими как акустическая эмиссия и корреляция цифровых изображений. Первый способ позволяет с помощью датчиков фиксировать сигналы упругих волн, возникающих при повреждениях. Второй обнаруживает развитие структурных дефектов благодаря высокоточным камерам. Комплексные исследования полимерных углепластиков после ударов с разной энергией на этих установках раньше не проводились.

Ученые ПНИПУ изучили, как такой материал реагирует на предварительные воздействия. Для этого образцы в виде коротких балок размером 6 × 12 × 42 мм ударялись с применением падающего груза с энергией 1, 3, 5 и 6 Дж (Джоуля). Затем проверялось, как это влияет на способность слоев композита держаться вместе и не смещаться относительно друг друга. К объектам исследования прикрепили датчики, определяющие место и характер нанесенного урона по звуковым волнам.

- Мы выявили, что чем выше предварительная нагрузка, тем больше сигналов выдают анализаторы и тем серьезнее ущерб. Типы повреждений "звучат" на определенных частотах. Низкие (50-130 кГц) показали, что материал начал трескаться внутри, средние (270-320 кГц) - что слои отделились друг от друга, а высокие (670-750 кГц) - что волокна композита разорвались. Касаемо прочности материала можно сказать, что удары с энергией 1 и 3 Джоуля (Дж) на нее практически не влияют. А вот 5 Дж становится "точкой невозврата", после которой устойчивость к сдвигу слоев падает на 50%, что критично для углепластиков, - комментирует Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Все это говорит о том, что полимерные композиты могут сохранить жесткость, несущую способность и устойчивость к сдвигу слоев при невысоких ударных воздействиях. При более сильных конструкция становится уязвимой и с большей вероятностью деформируется в процессе эксплуатации.

Исследование ученых ПНИПУ дает более полную информацию о поведении материалов ответственных конструкций разных отраслей промышленности. Учет этих данных поможет более точно спроектировать изделия из полимерных углепластиков и тем самым снизить риск их разрушения в важный момент.