Пермские ученые выяснили, что разрушает стеклопластики

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.

Композиционные материалы обладают высокой прочностью за счет того, что сочетают в себе лучшие свойства разных компонентов, из которых они состоят. Например, стеклотекстолит (разновидность стеклопластика) – это слоистая структура, в которой прочные стеклянные волокна скреплены термореактивной смолой. Волокна работают как арматура, принимая на себя основные нагрузки, а смола распределяет напряжение и защищает от повреждений. Такой композит применяется в электронике, авиации, машиностроении и многих других видах промышленности. Например, его часто используют для создания легких панелей в строительстве или для деталей обшивки самолета.

В процессе изготовления некоторых изделий из стеклопластика в них проделывают отверстия для крепежа, сборки деталей или просто уменьшения веса. Подобные вмешательства ослабляют материалы, что особенно опасно при использовании в авиации, судостроении и других ответственных отраслях.

Вопрос о том, как размер отверстия и структурные особенности этого композита влияют на процесс разрушения, малоизучен. Поэтому ученые Пермского Политеха провели серию экспериментов на образцах стеклопластика с отверстиями диаметром от 2 до 12 мм (в соответствии со стандартами ГОСТ). Для точных измерений деформации материала смотрели его поверхность с помощью цифровой камеры и микроскопа, а также оценивали «звук» разрушения акустическими датчиками. Эксперименты проводились в лаборатории Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

– Деталь из стеклопластика трескается в самой слабой точке, где возникают напряжения, а характер поломки зависит от того, есть ли в этом месте отверстие. Чем больше его диаметр, тем ниже несущая способность материала, то есть максимальный вес, который он может выдержать. Однако мы выяснили, что вырезы от 2 до 6 мм не наносят серьезного урона и считаются «безопасными» для прочности стеклопластиков, – поясняет Екатерина Чеботарева, аспирантка кафедры «Экспериментальной механики и конструкционного материаловедения» ПНИПУ.

При испытаниях образцов также проявился так называемый «масштабный эффект» – когда прочность материала меняется в зависимости от его размера.

– В данном случае маленькие детали оказались крепче больших на 17%, хотя обычно уменьшение конструкции не гарантирует этого. Все эти показатели важно учитывать при проектировании любых деталей из стеклотекстолита, чтобы не допустить преждевременную поломку. Например, в электротехнике, где этот композит используется в качестве изоляционного материала, не пропускающего электрический ток и предотвращающего короткие замыкания, – комментирует Елена Струнгарь, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Данные, полученные учеными ПНИПУ, помогут усовершенствовать модели анализа композитов и оптимизировать проектирование деталей из них. Учет масштабного эффекта и структурных параметров позволит создавать более надежные и долговечные материалы для энергетической, строительной, авиационной, медицинской и транспортной отраслей. Далее планируется изучение масштабного эффекта и концентраторов напряжения на других конструкционных материалах, в том числе при повышенной температуре.

ПНИПУ

1043 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше