Композитные материалы, использующиеся в современной технике, обладают большой жёсткостью, прочностью и хрупкостью. Ученые научились производить уникальные композиты, которые вместе с этими свойствами обладают необычной псевдопластичностью.
Профессор из Южно-Уральского государственного университета Сергей Сапожников, используя собственную формулу, создал псевдопластичный гибрид из двух изначально хрупких углепластиков. Статья о разработке нового псевдопластичного углепластика опубликована в одном из самых престижных журналов первого квартиля «Composites Part B: Engineering».
Прочный композит из хрупких компонентов
Композитные материалы из углепластика применяются не один десяток лет. Особенно популярно их использование в авиации и космонавтике. В этих сферах ценятся материалы, которые мало весят, но при этом обладают высокой прочностью. Однако у композитных материалов есть слабое место — это хрупкость. Если на конструкцию из такого материала воздействует сила немного большая, чем допускается по расчёту, то объект внезапно разрушается. Поэтому ученые, которые исследуют композиты, сейчас предлагают все новые варианты не хрупких, а псевдопластичных материалов. Для их создания объединяют разные композиты: углепластик со стеклопластиком, углепластик с органопластиком и другие.
Профессор Политехнического института Южно-Уральского государственного университета Сергей Сапожников вместе с профессорами Йентлом Сволфсом и Степаном Ломовым из Католического университета города Лёвена (Бельгия) предложил создать новый материал на основе двух хрупких углепластиков – сверхвысокопрочного и сверхвысокомодульного.
Совместную работу удалось осуществить благодаря гранту Российского научного фонда (РНФ), поддержке администрации Католического университета Лёвена (КУЛ) и японской фирме «TORAY» – поставщику материалов и спонсору кафедры композитных материалов в КУЛ. Сергей Сапожников отправился в европейский вуз, чтобы на его уникальном технологическом, испытательном и аналитическом оборудовании провести своё исследование. Пропорции, в которых необходимо соединить углепластики для дальнейшей работы с ними, ученый из ЮУрГУ рассчитал заранее.
В научной литературе ранее считалось, что свойства псевдопластичности проявляют только тонкослойные гибридные композиты. Команда ученых впервые показала, что эффект псевдопластичности можно получить и на композитах со стандартной толщиной слоев. Важно лишь иметь на границе двух слоев высокую сдвиговую трещиностойкость. Это свойство коллектив описал в первой совместной статье.
«Из двух материалов, использованных мной, никогда не создавались гибридные композиты с таким соотношением, которое я рассчитал, и с уникальным свойством, называемым псевдопластичностью. Материалы с этим свойством поначалу упруго деформируются, затем накапливают микроповреждения и только потом разрушаются. Псевдопластичность необходима, чтобы конструкционные материалы не чувствовали присутствие концентраторов напряжений типа отверстий, дефектов или трещин, и конструкция из них была более надёжной. Жёсткость и прочность у таких гибридных композитов выше, чем у стали. С помощь моей программы мы создали такие материалы и экспериментально доказали, что гибриды эффективны и их можно применять», — рассказал Сергей Сапожников.
Псевдопластичные композиты — основа «умных конструкций»
Связь с Лёвеном не прерывается: команда намерена проверить, как поведет себя новый материал при многократных нагрузках. Тема получит развитие в исследовании усталостной прочности таких полимеров.
Также, по мнению Сергея Сапожникова, полученные международной командой данные уже можно использовать на практике. Поскольку работа шла на материалах, которые широко применяются во многих сферах, использовать уникальные композиты из гибридного углепластика смогут во всем мире.
«Мы надеемся заложить свойства псевдопластичности в объекты из композитных материалов, которые создаются в ЮУрГУ. Это нужно, чтобы повысить надежность и предотвратить внезапное разрушение конструкций. Ведь псевдопластичные композиты за счет накопления разрывов волокон более жёсткого и хрупкого компонента предупреждают, что приближается полное разрушение материала. Сенсоры, которые будут устанавливать на конструкции, смогут эти сигналы зафиксировать, и ситуацию с такой „умной конструкцией“ можно будет взять под контроль», — сообщил Сергей Сапожников.
Исследования в области материаловедения являются одними из трех стратегических направлений развития научной и образовательной деятельности Южно-Уральского государственного университета наряду с цифровой индустрией и экологией.
ЮУрГУ – участник Проекта 5-100, призванного повысить конкурентоспособность российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров.