Низкие температуры увеличили прочность стеклопластика
Стеклопластики — легкие и прочные композиты, заменяющие металл в строительстве, транспорте и нефтегазовой отрасли. Их применение в России растет на 10–15% ежегодно. Исследования Пермского Политеха и Сколтеха показали, что при –40°С прочность стеклопластика увеличивается на 10–15%, а при +60°С снижается на 20–25%. Это связано с изменением жесткости полимерной основы. Результаты помогут создавать более надежные конструкции для экстремальных условий, особенно в холодных регионах.
Статья опубликована в журнале «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда.
Композитом называют материал, созданный из двух и более компонентов, которые вместе работают лучше, чем по отдельности. В состав входит связующее (полимер, эпоксидная смола или металл), которое скрепляет составляющие и задает форму изделию, и армирующий элемент – наполнитель, отвечающий за жесткость и прочность конструкции. Обычно применяют стеклянные, углеродные или базальтовые волокна. В итоге получается легкий и высокопрочный материал.
Главная особенность стеклопластиков в том, что с их помощью можно значительно снизить вес высоконагруженных ответственных деталей, при этом не теряя прочность. Кроме того, они коррозионностойкие и долговечные. Их уже применяют в мостах, ветрогенераторах, элементах автомобилей и самолетов. Однако их термостойкость ограничена, и 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. Поэтому перед процессом внедрения любых композитов в уже существующие изделия проводят комплексные исследования их поведения в условиях, приближенных к реальным. То есть моделируют разные виды нагрузок на деталь: 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, одновременное сжатие и кручение). Сначала тестировали изделия при нормальной температуре (20 градусов), потом повторяли эксперимент при нагреве до 60 градусов и заморозке до –40. 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 градусов, наоборот, увеличила его стойкость на 10-15%. Образцы не разрушились даже при максимальной нагрузке в 10 тонн. Это связано с тем, что от нагрева полимерная основа материала размягчается, а от холода становится более жесткой, – поделился Олег Староверов, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, кандидат технических наук.
Полученные результаты говорят о том, что стеклопластик выдерживает перепады температур, но наиболее эффективно использование материала, с точки зрения прочности, 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.
Ученые ПНИПУ и Сколтеха определили, как температуры влияют на разрушение стеклопластиков, что позволяет предсказать, как они себя поведут в реальных обстоятельствах – от самых холодных регионов России до самых жарких. Новые знания дают возможность повысить качество производства композитов, чтобы они становились еще прочнее, а также эффективно подбирать материал для конкретных задач, климатических зон и нагрузок, не допуская аварий.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Считается, что современная музыка стала простой и даже примитивной. Ученые из Италии математически проверили эту гипотезу и подтвердили, что даже самые сложные жанры со временем стали дрейфовать к простоте и повторам одних и тех же составляющих.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно