Современные композитные материалы, такие как углепластики, широко используются в авиации, космонавтике, автомобиле- и судостроении благодаря их легкости и высокой прочности. В самолетах нового поколения (например, Boeing 787) их доля в конструкции составляет около 50%. Однако композиты уязвимы к скрытым повреждениям, возникающим при столкновении с градом и камнями, падающими инструментами, при жестком приземлении. Такие дефекты опасны потому, что могут оставаться незамеченными, но при этом значительно снижать прочность материала, приводя к внезапным поломкам. Ученые Пермского Политеха провели исследование, чтобы понять, как удары влияют на механическое поведение композитов. В результате они установили пороговую чувствительность — тот уровень повреждений, после которого начинается резкое снижение характеристик материала.
Статья опубликована в журнале «Mechanics of Solids», том 59, № 5, 2024. Исследование было выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2024-0013) на кафедре «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ.
Композиционные материалы, особенно углепластики, все шире используются в авиации, космонавтике, автомобиле- и судостроении благодаря их высокой прочности при малом весе. Однако у них есть недостаток — даже небольшой удар может вызвать существенные внутренние повреждения: расслоение, трещины. Особую опасность представляют так называемые BVID (barely visible impact damage) — повреждения, почти незаметные снаружи, но приводящие к скрытому ухудшению структуры материала изнутри. Такие дефекты могут возникнуть, например, при столкновении самолета с птицами во время полета, градом или камнями на шоссе во время взлета или посадки, из-за упавших инструментов при монтаже. Эти дефекты не всегда видны невооруженным глазом, но могут серьезно снизить прочность конструкции, появляется необходимость в ремонтах и сокращается срок службы самолетов. Поэтому крайне важно понимать, как даже слабые удары влияют на дальнейшее поведение материала под нагрузкой, чтобы предотвратить аварии и обеспечить безопасность.
Группа ученых кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» Пермского Политеха провела серию экспериментов с образцами углепластика.
— Сначала мы определяли исходные механические свойства материала, затем наносили удары падающим грузом с помощью специального оборудования. Энергия варьировалась от 1 до 6 Дж — этого было достаточно, чтобы не разрушить образец полностью, но оставить внутренние повреждения. После этого композиты подвергали растяжению для оценки изменения их прочности и жесткости, — комментирует Валерий Вильдеман, профессор, заведующий кафедрой «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, директор Центра экспериментальной механики, доктор физико-математических наук.
— В результате экспериментов мы установили пороговую чувствительность к удару — это такой уровень повреждений, после которого начинается резкая потеря прочности. То есть качество материала снижается неравномерно. Можно выделить два этапа деградации композитов: плавное снижение свойств и, после определенного уровня повреждений, резкое ухудшение. Как мы выяснили, для показателя прочности этот уровень составил 0,637 относительной единицы энергии удара, а для жесткости — 0,815, — рассказывает Олег Староверов, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, кандидат технических наук.
В авиации инженеры могут использовать эти данные для того, чтобы решить, можно ли дальше летать с найденным повреждением крыла или нужно провести срочный ремонт. Если повреждение ниже порога — самолет еще может оставаться рабочем состоянии, но если выше — требуется немедленное вмешательство.
Исследование ученых Пермского Политеха важно не только для теоретического понимания процессов ухудшения качества композитов, но и для практического применения в инженерном деле. Теперь специалисты смогут точнее оценивать степень повреждений конструкций и принимать обоснованные решения об их дальнейшей эксплуатации, что важно в авиастроении, автомобилестроении и других высокотехнологичных отраслях.