Без композитных материалов, в частности углепластиков, не представим технологический мир – от Арктики до космоса. Разные слои, соединяясь, привносят с собой полезные свойства, что позволяет учёным проектировать уникальный материал с характеристиками, необходимыми для решения конкретных задач. Появляется возможность создавать «самодиагностирующиеся» изделия, обеспечивать жаропрочность и морозостойкость.
Однако то, что когда-то было спаяно в слои, может однажды и расслоиться обратно. То, что было прежде было единым целым, расслоится или повиснет на «соплях» – нитях углеродных волокон. Этот процесс называется деламинацией.
Данной проблеме посвящено исследование профессора кафедры технической механики ЮУрГУ, доктора технических наук Сергея Сапожникова. Работа ведется совместно с коллегами из легендарного Харбинского Политеха (Китай), а также из Католического университета Лёвена (Бельгия) и Миланского Политеха (Италия). Статья «Анализ акустической эмиссии увеличения межслойного сопротивления при расслоении по Моде I с образованием волоконных мостиков в композитных ламинатах» опубликована в журнале «Наука и технологии композитов» («Composites Science and Technology»), входящем в первый квартиль научных изданий базы Scopus.
Что такое акустическая эмиссия? Представьте, что вы медленно гнёте сухую ветку. Сначала потрескивает кора, потом слышен хруст разрывающихся волокон, и финал – разрушение на две части.
Специальные датчики акустической эмиссии позволяют услышать аналогичные звуки внутри углепластика, но на частотах, недоступных человеческому уху.
В ходе эксперимента проводилась серия стандартных тестов на расслоение композита, во время которых датчики акустической эмиссии записывали «последний крик» разрушающегося материала, и с помощью вейвлетов делали его удобным для компьютерного анализа. После этого поверхность разрушения изучалась под электронным микроскопом.
Вся эта информация подавалась на переработку искусственному интеллекту, который выделил в итоге четыре звуковых шаблона: растрескивание матрицы композита («тихий» сигнал малой амплитуды, соответствующий микротрещинам), отслоение волокна от матрицы, вытягивание волокна (громкий длинный сигнал с высокой частотой) и разрыв волокна (высокочастотные короткие импульсы).
Ученые ввели параметр AEER — скорость накопления акустической энергии на миллиметр увеличения длины трещины. Он показал, что энергия, выделяемая при вытягивании волокон из матрицы, на порядок выше, чем при других типах повреждений. Возникающее при этом трение поддерживает жизнь межслойных «мостиков», которые тормозят рост трещины.
Оценка скорости накопления акустической энергии (AEER) и межслойной вязкости (GIC) позволит создать технологию для оперативной диагностики повреждения углепластика, а также даёт материал для размышления над дальнейшим повышением трещиностойкости таких композитов, в том числе о технологии фелтинга (целенаправленного создания «мостиков» между слоями).
Пока учёные готовят по данной тематике ряд работ, создавая базу для заявки на грант РНФ-Китай в 2027 году.
Источник: Минобрнауки России
