Группа учёных Южно-Уральского государственного университета Сергей Сапожников, Галина Форенталь и Александр Херувимов совместно с коллегами Степаном Ломовым (Бельгия) и Яо Ляоцзюнем (Китай) предложили метод «прошивки» стеклопластика иглами, который повышает его стойкость к расслоению на 30-44% и заметно уменьшает повреждения при ударах.
Слоистые композитные материалы (например, стекло- или углепластики), давно применяются в авиации, космонавтике, автомобилестроении. Они лёгкие, жёсткие и прочные. Однако у них есть уязвимое место – расслоение. Если по панели ударить или согнуть её сверх меры, между слоями может зародиться трещина
В некоторых типах композитов (например, в тех, где все волокна лежат в одном направлении) природой предусмотрен защитный механизм — волоконные мостики. Когда трещина проходит между слоями, часть волокон не разрывается, а перекидывается через раскрывшуюся щель. Они работают как микроскопические тросы: растягиваются, трутся о матрицу, вытягиваются и в конце концов рвутся, поглощая огромное количество энергии.
Однако в тканых композитах, где стеклянные или углеродные нити переплетены, как в обычной материи, этот эффект почти не наблюдается. Узлы переплетения жёстко фиксируют волокна, и они не могут вытягиваться из матрицы на достаточную длину. Мостики либо не образуются, либо обрываются сразу.
Идея, предложенная учёными ЮУрГУ и их коллегами в том, чтобы создавать искусственные волоконные мостики, с помощью технологии, которая называется фелтинг (от английского felt — войлок). По-русски это можно назвать иглопробивной обработкой.
Учёные использовали трёхкоординатную установку, похожую на 3D-швейную машину. Вместо обычной иглы в неё вставляли специальную иглу с зазубринами. Игла многократно прокалывала стопку из нескольких слоёв стеклоткани, при этом зазубрины захватывали отдельные волокна с поверхности и протаскивали их вертикально вниз, в толщу материала. Получались своего рода «нити», которые прошивают слои в поперечном направлении.
Преимущество метода в том, что он не требует дополнительных прослоек, войлока или нитей. Волокна для поперечной арматуры берутся из самой ткани, а значит, не растут толщина и вес. Сам процесс можно делать локально, только в удароопасных зонах.
Испытания проводили на стеклоткани Т‑13 (производство России, полотняное переплетение) с эпоксидной матрицей ETAL‑370. Толщина одного слоя после пропитки составляла около 0,2 мм, объёмное содержание волокна почти 50%. Авторы делали 10 проколов на квадратный сантиметр, в противном случае это приводило к заметной потере прочности материала «в плоскости». В результате на 1 квадратный сантиметр пришлось порядка 870 волокон.
В результате зарождение и распространение трещин стало требовать энергию на 40-44% больше, чем у непрошитого композита, изгиб стал прочнее на 33%, при низкоскоростных ударах площадь повреждений снизилась на 15% и более.
При этом прочность при растяжении после прошивки всё же снижается на 25%. Однако не будем забывать, что прошивку можно сделать локально, и в большинстве случаев такая потеря не повлияет на прочность и устойчивость конструкции.
Новый метод может быть использован в авто- и авиастроении, ветроэнергетике, при создании спортивного инвентаря.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 075 15 2022 1023) и опубликована в международном журнале Polymer Composites, входящем в первый квартиль по версии Scopus.