Полимерные материалы широко используются в быту и промышленности. Например, политетрафторэтилен (более известный как тефлон), модифицированный при помощи гамма-лучей, применяется в опорных частях пролетного строения мостов. Эти конструкции компенсируют нагрузки, действующие на мостовое сооружение, вызванные ветром, проезжающим транспортом, температурой внешней среды и т.д. Определить износостойкость деталей из тефлона помогает предварительный расчет и моделирование поведения материала. Однако в существующих подходах не учитывают влияние динамических нагрузок, а значит, они не отражают реального поведения тефлона при активной эксплуатации. Ученые ПНИПУ реализовали подход, который позволяет описывать динамические свойства гамма-модифицированного тефлона и точнее прогнозировать его износостойкость.
Исследование опубликовано в журнале «Polymers», 2023. Разработка проводилась при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (№ 22-29-01313).
Гамма-модифицированный тефлон широко используется в мостовых опорных частях в качестве антифрикционного материала — уменьшает коэффициент трения и снижает износ деталей. При этом он подвергается воздействию больших перепадов температур (от −60°С до +60°С) и циклических нагрузок, направленных в разные стороны.
— В настоящее время тефлон изучают в основном как упругое или упругопластическое тело, что не учитывает все характеристики материала. Для описания его реального поведения необходимо использовать более сложные модели, которые могут описывать его поведение во времени. В рамках работы проведена идентификация математической модели гамма-модифицированного тефлона как тела Максвелла, что позволило нам описать поведение материала в динамической постановке. В дальнейшей перспективе мы можем описывать жизненный цикл работы полимерного материала в целом, и на определенном временном промежутке в частности, — рассказывает ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Анастасия Богданова.
Чем отличается упругопластическое тело от вязкоупругого? Как поясняют ученые, упругое тело полностью восстанавливает форму и объем после снятия нагрузки. Упругопластическое тело при малых деформациях ведет себя как упругое, но с определенным увеличением нагрузки в нем появляются остаточные деформации. Вязкие тела во время приложения нагрузки деформируются линейно. Представленные 3 модели используются для анализа прочности материалов в статических нагрузках (не зависят от времени). А вязкоупругие тела способны восстанавливать свои изначальные характеристики с течением времени (день, неделя, месяц и т.д.), что является реальным поведением полимерных материалов.
— В ходе экспериментов при помощи специального оборудования мы деформировали и нагружали образцы из модифицированного тефлона для определения его упругих, динамических, фрикционных (связанных с воздействием силы трения) и других свойств материала. Затем мы создали специальный алгоритм, который без участия человека выстроил математическую модель, описывающую поведение тефлона с учетом вязкости. Этот алгоритм позволит описывать математические модели и других полимерных материалов, после проведения соответствующих экспериментальных исследований, — рассказывает старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Юрий Носов.
В результате ученые определили, какая модель точнее отражает поведение материала под динамическими нагрузками. В случае вязкоупругой модели погрешность составила всего 0,5-1%, в то время как у упругопластической модели — 5-20%. Ученые пришли к выводу, что вязкоупругая модель позволяет прогнозировать работоспособность конструкции на всех этапах ее жизненного цикла (от изготовления до многолетней эксплуатации), а упругопластическая — подходит только для предварительной оценки прочностных характеристик конструкции.
— Правильное описание поведения материала позволяет качественно прогнозировать работоспособность деталей и конструкций. Благодаря этому можно на ранних этапах отслеживать проблемные места в эксплуатации конструкции и своевременно принимать меры по их устранению. Помимо этого, использование математической модели в синергии с компьютерным инжинирингом, значительно снизит экономические и временные затраты на решения по модификации или изменении конструкций, — отмечает заместитель директора Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анна Каменских.
Тефлон и композиты на его основе широко используются в машиностроении, нефтегазовой промышленности, электротехнике, медицине и др., при производстве электронных компонентов и оборудования, например, конденсаторов, резисторов, переключателей и т.д. Результаты исследования могут быть использованы для более точного прогнозирования поведения и стойкости конструкций с применением гамма-модицифированного тефлона.