#композиты

Стеклопластик — прочный и легкий материал, который используют для изготовления кузовных деталей авто, корпусов лодок, элементов самолетов, лопастей ветрогенераторов и даже протезов. Его выбирают за долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Однако для создания некоторых изделий, например, корпусов приборов, нужно просверливать в нем отверстия. Это влияет на его дальнейшее состояние, поскольку создает концентрацию напряжения — место, где с большей вероятностью пойдет трещина. Ученые Пермского Политеха выяснили, как вырезы разного диаметра, а также размер самого изделия, влияют на его прочность.

Российские ученые разработали инновационный подход к исследованию структуры композиционных материалов, изменяющейся под внешним воздействием, в реальном времени. Методика предоставляет важные данные, которые теперь можно испытывать в камере сканирующего электронного микроскопа. Полученные результаты можно использовать для надежных расчетов прочности, что сэкономит затраты при производстве и испытании авто- и аэрокосмических деталей.

В аэрокосмической, автомобильной промышленности и морском транспорте активно применяют материалы на основе полимерной смолы с добавлением углеродных волокон. Из них делают ответственные конструкции, которые из-за особенностей эксплуатации постоянно подвергаются ударам. Примером такого ущерба может быть столкновение самолета с ледяными частицами, жесткое приземление. Ученые Пермского Политеха исследовали, как разная энергия ударов о полимерные углепластики влияет на их дальнейшую «склонность» к разрушению. Это позволит более точно проектировать конструкции из этих композитов и учитывать их стойкость к ударам.

В последние годы активно изучаются и внедряются в промышленность толстостенные конструкции из композитных материалов. Это прочные и легкие изделия на основе полимера и непрерывных угле- или стекловолокон. Они нужны для работы в условиях высоких нагрузок, которым подвергаются, например, элементы самолетов, ракет и подводных лодок, лопасти ветрогенераторов, газовые баллоны и многое другое. Такие конструкции создают в автоклаве — большой печи, где слои материала из волокон и смолы выкладывают в заданную форму, а затем под высоким давлением и температурой прессуют в готовое изделие. Однако из-за большой толщины стенок материал может уплотняться неравномерно, что приводит к различным дефектам. Ученые Пермского Политеха установили оптимальные режимы для предварительного формования заготовки в автоклаве. Они обеспечат лучшее уплотнение материала и позволят контролировать толщину слоев, что повысит качество готового изделия.

Ученые ТПУ предложили уникальный метод получения объемных композитных материалов с металлической матрицей. Уникальность предложенного подхода заключается в in situ совмещении металлического матричного материала и армирующего керамического компонента, которые исключают образование высокой пористости и рекристаллизации образцов. Испытания показали, что композиты, разработанные в ТПУ, до четырех раз тверже аналогов.

Полимерные композиционные материалы широко востребованы в авиационной и ракетно-космической промышленности. Уникальное сочетание в них нескольких компонентов с разными свойствами образует более прочный, долговечный и легкий материал. Но прежде чем массово изготавливать детали из полимерных композитов, необходимо проводить испытания материала, которые занимают время. Ученые Пермского Политеха разработали методику для определения одного из ключевых параметров, влияющих на качество и характеристики будущего композитного изделия. Ее применение в два раза сокращает время на производственные испытания.

В авиационно-космической технике активно применяют полимерные композиционные материалы. Из них изготавливают топливные баки, трубопроводы и части крыльев. Они позволяют создавать более легкие, прочные, вместительные, эффективные и экономичные самолеты. Композиты обладают значительно меньшим весом, чем их металлы-конкуренты и при этом очень устойчивы к коррозии, химическому воздействию и высоким температурам. Первоначально они предназначались для эксплуатации в пределах от -60 до +150 °С, но современное авиастроение идет по пути увеличения этого диапазона, чтобы расширить область их применения, например, в двигателях, где происходят реакции горения. Ученые Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» Пермского Политеха внедрили высокотемпературные полимерные композиционные материалы в газогенератор — «сердце» авиационного двигателя, что позволило уменьшить его вес на шесть килограммов.

Ученые НИТУ МИСИС разработали новый подход к созданию термоэлектрических материалов, которые в перспективе могут быть использованы для преобразования промышленного тепла в электричество. Предложенный метод одновременно повышает энергоэффективность производственных процессов и минимизирует воздействие на окружающую среду.

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.