Композиционные материалы (композиты) — соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании приводят к появлению нового материала с более совершенными качествами. Есть природные композиты, например, гнездо птицы из глины и соломы, а есть созданные человеком — искусственные. Искусственные композиты состоят из матрицы (полимерной основы), наполненной усиливающими нитями, которые отличаются высокой прочностью и жесткостью. Меняя состав матрицы, наполнителя и их соотношение, получают композиты с разными физико-механическими свойствами. Так появляются легкие (деталь может быть до 80% легче металлической), прочные и устойчивые к коррозии материалы. Композиты широко используют в авиа- и ракетостроении — из них делают детали двигателей, створки шасси, обшивку и даже скафандры космонавтов. В промышленной сфере растет спрос на развитие методов прогнозирования изменений свойств композита в зависимости от изменений в структуре. В настоящее время программы для построения моделей структуры композитов моделируют без учета технологических изменений в процессе изготовления деталей. То есть происходит разрыв между моделированием и воплощением в жизнь. Ученые Пермского Политеха разработали способ прогнозирования упругих свойств композита (например, сопротивление материала растяжению или сжатию) до его создания на практике.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника», №73, 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Ученые ПНИПУ исследовали пространственно-армированный композит, он отличается от других видов композитов характером ориентации нитей наполнителя. Для определения значений параметров данного материала политехники провели томографические исследования структуры образцов и проанализировали их микрошлифы (образцы со специально обработанной поверхностью для выявления микроструктуры). Полученные данные легли в основу таблицы с геометрическими параметрами композита (к таковым относятся, например, расстояние между центрами нитей основы, площадь поперечного сечения прошивочной нити и т.д.). Ученые определили среднее значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации каждого из параметров. На основе полученных данных создали геометрическую модель фрагмента композита и разработали специальный алгоритм моделирования. С помощью этой модели построили уже реальный фрагмент композита.
В процессе прогнозирования характеристик материала ученые использовали метод локального приближения, т.е. рассчитывали характеристики композита на его фрагменте, содержащем одну характерную ячейку элемента структуры в центре и окруженную одним ближайшим слоем таких же ячеек.
Результаты, полученные политехниками, оказались точнее на 4-9% результатов расчета композита без учета реальных параметров структуры. Диапазон разброса характеристик не превысил 1,3%. Это значит, что даже если прогнозировать лишь одну из нескольких характеристик, то, вероятно, остальные характеристики, которые можно сравнить с экспериментальными значениями, будут отличаться практически настолько же (до 1,3%), насколько отличается первое вычисленное значение.
— Использование геометрической модели пространственно-армированного композита с учетом реальной структуры в совокупности с численным методом локального приближения позволяет получать более точные характеристики свойств материала, — подводит итог Павел Писарев, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Разработанный учеными Пермского Политеха метод позволяет добиться более точного прогнозирования упругих свойств композитных материалов. Это поможет упростить и ускорить изготовление деталей с необходимыми свойствами, снизить расходы на их производство в авиа- и ракетостроении.
На основе разработанных моделей возможно проведение дальнейших исследований. Например, изучение влияния разброса геометрических параметров материала на его механические характеристики, прогнозирование нелинейного деформирования и оценка прочности композитов при сложном нагружении.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.