#композиты

Российские ученые использовали новый метод моделирования для изучения распространения ультразвука в композитных материалах. Исследование, основанное на сочетании передовых методик, обещает внести значимый вклад в неразрушающий контроль и мониторинг авиационных конструкций, так как использующиеся ранее приближенные анизотропные модели не дают учитывать все типы волн в композитных материалах.

Ученые из Сколтеха создали цифровой двойник полимерного композиционного материала с 2D-датчиком и успешно испытали на нем технологию мониторинга целостности конструкции. Сегодня из полимерных композиционных материалов изготавливают многие крупные конструкции — крылья самолетов, лопасти ветряков, пролеты мостов — и для любой из них будет применима разработанная технология. Она основана на внедрении в композит между слоями с волоконным армированием тонкого слоя углеродных нанотрубок — настолько тонкого, что толщина, например, обшивки самолета, не изменяется, и не нужно заново проектировать деталь при внедрении датчика.

Композиционные изделия — это соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании образуют новый материал с лучшими качествами. Обычно их создают на основе полимера с внедрением внутрь волокон, которые повышают прочность изделия. Такие объекты широко применяют в аэрокосмической, строительной и медицинской отраслях. При производстве и эксплуатации сложных конструкций из композита в структуре накапливаются напряжения, которые со временем приводят к разрушению. Ученые ПНИПУ с помощью комбинированного метода исследовали, как деформируется конструкция в зависимости от способа укладки волокон и надреза материала. Результаты способствуют созданию качественных ответственных сооружений, например, деталей авиадвигателя и имплантов для замещения костной ткани.

Сегодня во всем мире разрабатывают композитные материалы с улучшенными характеристиками, востребованные во многих областях промышленности. В частности, базальтовые и углеродно-базальтовые композиты могут применяться в медицинских изделиях для фиксации костных фрагментов поврежденных конечностей. В отличие от аналогичных металлических конструкций, они обладают радиационной прозрачностью, что позволяет комфортно проводить всестороннюю рентгенографию. Однако при этом возникают вопросы их радиационной стойкости. Ученые ПНИПУ и УНИИКМ изучили воздействие гамма-излучения на прочность нового гибридного материала, изготовленного из базальтовых волокон и углеродных нитей. Такое сочетание повышает прочность изделия до 20 процентов.

Ученые лаборатории структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН изучили влияние плазмохимической обработки на адгезионные взаимодействия на границе раздела моноволокна и матрицы для полимерных композитов, армированных углеродным волокном. Представленные в работе подходы к измерению адгезионных свойств на межфазной границе позволяют получать истинные значения прочности в элементарной ячейке, не делая при этом поправку на технологические или конструктивные особенности производства материалов. Знание истинной прочности в элементарной ячейке имеет фундаментальное значение при разработке связующих и проклеивающих композиций для полимерных композитных материалов и дает возможность разрабатывать материалы с заданными физико-механическими свойствами.

Ученые лаборатории наноматериалов центра фотоники и фотонных технологий и центра технологий материалов Сколтеха совместно с партнерами из университетов Цзянсу и Белорусского государственного опубликовали работу, демонстрирующую еще одно практическое и масштабируемое применение однослойных углеродных нанотрубок.

В последние годы в строительстве авиакосмического транспорта активно используют композиты, в том числе полимерные материалы с объемным армированием. Такие структуры повышают сопротивление сдвигу и расслоению. Однако их внедрение повышает риск снижения прочности материалов. Стандартные методики определения механических характеристик для композитов могут быть непригодны из-за их существенного отличия от традиционных материалов, на которые ориентированы стандарты. Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм определения свойств объемноармированных структур, чтобы снизить риск неточностей в расчетах при проектировании авиакосмических деталей.

Группа ученых из Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха получила новые результаты, которые помогут улучшить моделирование дефектов в композитных материалах, а значит для их производства потребуется меньше тестов и расходов. Авторам удалось усовершенствовать созданную ранее модель с учетом того, что волокна в композитных материалах могут быть разнонаправленными и переплетаться между собой, что оказывает значительное влияние на моделирование разрушения.

Инфраструктурный центр (НТИ по направлению «Технет» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ИЦ «Технет» СПбПУ) провел исследование рынка новых материалов, анализ основных технологических трендов и барьеров развития рынка новых материалов, а также обзор нормативно-правового регулирования отрасли.

Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не ясно. Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Ученые из Сколтеха показали, что стеклопластик можно перерабатывать без значительного ухудшения механических свойств, а в отдельных случаях — с их улучшением. Исследования позволяют надеяться на более экологичное будущее производства строительных материалов, деталей автомобилей, самолетов и морских судов, а также профессионального спортивного оборудования и других изделий, которые сегодня заканчивают свою жизнь на свалке.

Композиционные материалы широко применяются в авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности в связи с их высокой прочностью, малой массой и устойчивостью к коррозии. Для повышения надежности конструкций из композитов важно учитывать, как при их эксплуатации накапливаются повреждения в структуре материала. Ученые Пермского Политеха разработали модель и изучили процессы разрушения слоистого композита при его закритическом деформировании. Это особая стадия, возникающая после достижения максимальной нагрузки. Модель позволит точнее прогнозировать поведение конструкций, что повысит безопасность технических объектов.

Сегодня 3D-печать изделий на основе послойного нанесения материала используется во многих областях промышленности. Существует много полимерных материалов, которые применяют для печати пластиковых деталей. Для улучшения жесткости, упругости и прочности изделия в полимер добавляют армирующие (укрепляющие) вещества — короткие или непрерывные волокна. 3D-композиты с такими добавками перспективны и экономически доступны. Однако из-за сложностей и особенностей микроструктуры материала механизм его разрушения не до конца изучен. Ученые Пермского Политеха выяснили, как параметры изготовления и микроструктурные характеристики влияют на упругие и разрушающие свойства 3D-печатных полимерных образцов, укрепленных коротким волокном.

В современном мире нужны материалы, способные длительное время работать при агрессивном воздействии кислорода и высоких температур. Они требуются, например, для обшивки космических аппаратов, крыльев авиационной техники, деталей воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Таким материалом может быть композитная ультравысокотемпературная керамика: различные ее виды выдерживают температуру выше 2000 градусов Цельсия. В состав такой керамики обычно вводят разные добавки, благодаря которым на поверхности материала образуется слой c защитными свойствами. Ученые ПНИПУ выяснили, что добавление оксида лантана улучшает устойчивость к окислению композитной керамики на основе диборида циркония.

Стремясь сделать летательные аппараты легче и снизить шум, разработчики модернизируют строение авиадвигателей. Например, используют полимерные композиционные материалы (они легче стандартных металлов и сплавов) и экспериментируют со звукопоглощающими конструкциями (увеличивают их площадь, приближают к источнику шума). Однако внесение изменений в такую конструкцию меняет частоты ее колебаний и может вызвать эффект резонанса, а это в свою очередь провоцирует появление повреждений, например, микротрещин, в деталях авиадвигателя и со временем приводит к разрушению всей конструкции. Ученые ПНИПУ и специалисты завода «Машиностроитель» изучили, как характеристики звукопоглощающей конструкции влияют на ее собственные частоты. На основе этого они разработали методику проектирования, которая позволит заблаговременно просчитывать возникновение резонанса и принимать меры по борьбе с ним (например, менять геометрию или материал конструкции). Это поможет защитить самолеты и другие летательные аппараты от резонансных разрушений.

Полимерные композиты широко применяются при изготовлении элементов газотурбинных двигателей, беспилотных летательных аппаратов и оболочечных труб. Традиционная лезвийная обработка таких материалов не позволяет экономически эффективно получать сложные пазы, технологические отверстия и другие элементы на изделиях. Повышенный износ лезвийного инструмента способствует снижению качества обработки. Кроме того, в процессе работы появляется мелкодисперсная пыль, которая отрицательно сказывается на долговечности оборудования, а также требует усиленной защиты оператора от попадания в дыхательные органы. Молодые ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха доказали эффективность альтернативного метода обработки полимерных композитов – проволочно-вырезной электроэрозионной обработки.

Стеклопластик — это композитный материал, который часто используют для изготовления труб. Такие трубы прокладывают при устройстве канализации и водоотведения, в пожаротушении, при перевозке воды. Стеклопластик предотвращает риск замыканий электропроводки, поэтому его применяют на электростанциях и других промышленных производствах. Каждый непредвиденный удар, вибрация или другая нагрузка, даже небольшой интенсивности и продолжительности, сокращает время эксплуатации композитов. Важно понимать, как различные виды нагрузок влияют на физические характеристики таких материалов. Ученые ПНИПУ провели исследование и описали процессы накопления повреждений и разрушения стеклопластиковых труб при многоосных статических и циклических нагрузках. Результаты исследования позволят оценивать снижение механических характеристик стеклопластиков, прогнозировать срок их службы и совершенствовать структуру композита.

Междисциплинарный коллектив ученых ЮФУ разработал новый композит на основе оксида цинка, который можно применять в качестве резистора для солнечных элементов и устройств «прозрачной» электроники. Уникальность таких фоточувствительных резисторов заключается в возможности работы в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, поразительно коротком отклике за долю секунды, а также высокой оптической прозрачности в видимом диапазоне света.

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. Сегодня 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.

В мире растет интерес к исследованиям в области создания и изучения свойств алюминиевых композитов. Алюмокомпозиты производятся путем введения в алюминий армирующих (укрепляющих) частиц, благодаря которым повышаются механические свойства материала. Наряду с низкой плотностью сплав отличается высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и резким температурным перепадам. Что делает алюмокомпозит незаменимым в различных отраслях промышленности, в том числе для изготовления деталей транспортных средств, таких как поршни, подшипники, головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей. Наиболее дешевый способ введения армирующих частиц — добавление их в расплав алюминия и распространение по объему металла при помощи магнитогидродинамического перемешивания. Однако в результате этого метода большое количество вводимых частиц отторгается и выбрасывается на поверхность расплава из-за сильного поверхностного натяжения. Предложенный способ ученых Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН отличается тем, что армирующие частицы вводятся в жидкий алюминий в составе спрессованных таблеток и интенсивно перемешиваются бегущими и вращающимися магнитными полями. Разработка обеспечивает рост предельной прочности материала.