Новая установка помогла описать процесс повреждения армированных композитов

Углепластики, они же армированные композиты, представляют собой материалы из переплетенных волокон, погруженных в полимерные смолы. Они превосходят по механическим характеристикам металлы и сплавы, но при этом гораздо легче них. то делает такие системы очень перспективными в авиа- и ракетостроении. Вместе с тем довольно трудно предсказать, что с ними будет при долгосрочном использовании, а именно при износе. Сложность заключается в расчете остаточного ресурса композитных конструкций при длительной эксплуатации. В отличие от металлов, для которых ученые и инженеры уже изучили процессы механического поведения при различных нагрузках, предсказать образование повреждений в углепластиках сложнее из-за их многокомпонентной структуры. Как правило, разрушения в таких составных материалах начинают формироваться на микроуровне на границе веществ. Со временем трещины размером в несколько микрон, образовавшиеся в различных областях углепластика в результате растягиваний, изгибов и ударных нагрузок, объединяются в макротрещину, и расслоение приводит к разлому композитного изделия. 

Для изучения и наглядной визуализации процессов разрушения углепластиков на микроуровне в лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН была разработана специализированная установка. Чтобы получить изображение микроструктуры композитов, исследователи применили высокочастотную ультразвуковую микроскопию, которая позволяет увидеть в объеме материала элементы размером в несколько микрометров, оставляя при этом сам композит невредимым. Образующиеся в углепластиках пустоты или разрывы хорошо видны на таких ультразвуковых изображениях. С помощью этого метода ученым удалось найти, визуализировать и описать некоторые механизмы зарождения и роста повреждений при растяжении углепластиков.

«Проблема прочности и надежности армированных композитов остается актуальной как для фундаментальных исследований в области материаловедения и механики композитов, так и для их практического применения, в первую очередь в авиационных и аэрокосмических технологиях. Основой для развития представлений о прочностных свойствах материалов является изучение структурных изменений в процессе их механического нагружения», — пояснил Егор Мороков, старший научный сотрудник лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН.

В будущем научный коллектив планирует продолжить изучение процессов трансформации и перестройки объемной микроструктуры углепластиков от микро- до макроуровня под действием различных типов механических нагрузок.