В МАИ исследовали механизмы разрушения композитов для повышения безопасности авиаконструкций

Фото: Пресс-служба МАИ / Архив

Учёные кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» Московского авиационного института изучили, как схема укладки и тип армирующих наполнителей деталей из полимерных композиционных материалов влияют на их устойчивость к трещинам. В ходе работы были впервые исследованы зависимости скорости роста и характера развития расслоения материала от того, как был уложен наполнитель и какого он был типа.  Результаты работы помогут прогнозировать их поведение при эксплуатационных нагрузках и повысят безопасность авиационных конструкций.

Для создания композиционных материалов используются два компонента: ленточные и тканые армирующие наполнители из углеродных или стеклянных волокон и связующая их смола. Процесс создания композитных панелей начинается с выкладки слоёв пропитанного смолой наполнителя на формообразующую оснастку под строго заданными углами. После этого заготовку помещают в вакуумный мешок, из которого откачивают воздух, — так происходит спайка слоёв. Окончательное формование происходит при нагревании под давлением, превышающим атмосферное: полимерная матрица из наполнителей отверждается, излишки связующей смолы выдавливаются, и материал уплотняется.

В самолётостроении из композиционных материалов изготавливают верхние и нижние панели консолей крыла, лонжероны, обшивку фюзеляжа и другие детали. Они могут подвергаться ударному воздействию как на взлёте или посадке, так и во время полёта. Это приводит к возникновению трещин между слоями композита. Характер роста таких дефектов напрямую зависит от свойств материала и схемы армирования — то есть того, как расположены в нём ленты или ткани из углеродных и стеклянных волокон. 

В рамках проекта были проведены испытания различных конфигураций ленточных и тканых армирующих наполнителей при одинаковом связующем, а также их укладок параллельно (под углом 0°) и под углом 45° (крест-накрест) к основному направлению — то есть длинной стороне образца. Цель исследования — понять, какие укладки слоёв дают возможность надёжнее прогнозировать поведение деталей из полимерных композиционных материалов в процессе эксплуатации.

— <blockquote> Результаты показали, что укладки крест-накрест могут быть неприменимы в некоторых случаях из-за эффекта мостикования, когда при раскрытии трещины отдельные волокна остаются «перекинутыми» между двумя половинками образца, как мостики, и не дают трещине разрастаться. Это создаёт дополнительное сопротивление и искусственно завышает показатели прочности. Для более надёжного прогнозирования лучше использовать укладку под углом 0°. Также использование стекловолокна оказалось на 25% эффективнее, чем использование углепластика. Полученные данные подтвердили уже существующие математические модели, — рассказал один из авторов исследования, аспирант кафедры 101, инженер лаборатории № 2 «Композиционные материалы» НИО-101 МАИ Николай Кононов.</blockquote>

Разработанная в МАИ методология комплекса работ по изучению, верификации и использованию свойств межслоевой трещиностойкости композитов позволит не только анализировать поведение уже разработанных материалов, но и прогнозировать характеристики новых композитов. Она может использоваться авиастроительными компаниями и конструкторскими бюро при проектировании и сертификации конструкций из композиционных материалов.

Проект реализуется в рамках программы стратегического лидерства «Приоритет-2030», а также объявленного Президентом России Десятилетия науки и технологий.