Ученые Пермского политеха и Сколтеха оценили поведение стеклопластика при экстремальных температурах и нагрузках

Ученые объяснили, почему заморозка материала до -40°С повышает его стойкость на 10-15%, а повышенные температуры, наоборот, снижают на 20-25%. Результаты исследования способствуют созданию более надежных композитных конструкций для российской промышленности.

Композиционные материалы, такие как стеклопластики, активно применяются в строительной, транспортной и нефтегазовой отраслях, например при изготовлении мостов, элементов кузовов, судовых деталей, лопастей и корпусов летательных аппаратов. Сфера применения в России с каждым годом растет на десять-пятнадцать процентов. Композиты часто эксплуатируются в экстремальных условиях. Эксперты Пермского национального исследовательского политехнического университета и Сколковского института науки и технологий провели комплексные испытания стеклопластиков и выяснили, как на них влияют сложные режимы нагрузки и разные температуры, сообщает пресс-служба ПНИПУ.

В полимерных композитах обычно применяют стеклянные, углеродные или базальтовые армирующие волокна. Главная особенность стеклопластиков в том, что с их помощью можно значительно снижать вес высоконагруженных ответственных деталей, при этом не теряя прочность. Кроме того, они коррозионностойкие и долговечные, однако их термостойкость ограничена. До сих пор плохо изучено, как стеклопластики ведут себя в условиях больших перепадов температур и сложных нагрузок.

На протяжении всего срока службы конструкции из стеклопластиков находятся в неоднородном напряженном (нагруженном) состоянии, которое приводит к образованию дефектов, а со временем и к разрушению материала. Перед внедрением любых композитов в уже существующие изделия проводят комплексные исследования их поведения в условиях, приближенных к реальным, то есть моделируют разные виды нагрузок: подвергают нагреву, заморозке, сжатию, скручиванию. Это позволяет заранее выявить пределы материала, слабые места, где образуются трещины, и предсказать, как он себя поведет при эксплуатации.

Ученые Пермского политеха и Сколковского института науки и технологий экспериментально выяснили, как стеклопластик разрушается при сложных комбинированных нагрузках и как на это влияет широкий диапазон температур. Для исследования эксперты изготовили трубчатые образцы из стеклопластика с трехслойной структурой: внешние слои составляли хаотично расположенные стеклянные волокна, а центральный — однонаправленные.

Образцы подвергали различным нагрузкам на растяжение, сжатие, кручение и комбинированным воздействиям, например одновременному сжатию и кручению. Сначала тестировали изделия при комнатной температуре, потом повторяли эксперимент после нагрева до 60°С и заморозки до -40°С. В процессе фиксировали образующиеся дефекты с помощью трехмерной цифровой оптической системы и сравнивали результаты.

Испытания при нормальных температурах показали, что материал выдерживает высокие нагрузки, но прочность зависит от режима нагружения. Например, при кручении и комбинированных воздействиях на поверхности образцов появляются множественные трещины. Растяжение же вызывает образование магистральной (приводящей к полному разрушению) трещины. Интересно, что добавление небольшой доли кручения к растяжению или сжатию даже немного повышает прочность стеклопластика из-за выпрямления волокон.

«Повышенные температуры привели к образованию трещин по всей поверхности образцов и снижению прочности на 20-25%, тогда как заморозка материала до -40°С, наоборот, увеличила его стойкость на 10-15%. Образцы не разрушились даже при максимальной нагрузке в десять тонн. Это связано с тем, что от нагрева полимерная основа материала размягчается, а от холода становится более жесткой», — рассказал доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Олег Староверов.

Полученные результаты говорят о том, что стеклопластик выдерживает перепады температур, но с точки зрения прочности наиболее эффективна эксплуатация в холодных регионах, где его устойчивость к нагрузкам только растет. Так, например, перспективно применение композита в арктических проектах, на морских платформах и трубопроводах, а также в космической и авиационной технике, где экстремальные атмосферные условия — норма.

Исследование выполнено при грантовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале «Заводская лаборатория. Диагностика материалов».

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.