В Пермском Политехе нашли способ прогнозировать свойства новых материалов

Композиционные материалы (композиты) – соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании приводят к появлению нового материала с более совершенными качествами. Есть природные композиты, например, гнездо птицы из глины и соломы, а есть созданные человеком – искусственные. Искусственные композиты состоят из матрицы (полимерной основы), наполненной усиливающими нитями, которые отличаются высокой прочностью и жесткостью. Меняя состав матрицы, наполнителя и их соотношение, получают композиты с разными физико-механическими свойствами. Так появляются легкие (деталь может быть до 80% легче металлической), прочные и устойчивые к коррозии материалы. 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. В настоящее время 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.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника», №73, 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Ученые ПНИПУ исследовали пространственно-армированный композит, он отличается от других видов композитов характером ориентации нитей наполнителя. Для определения значений параметров данного материала политехники провели томографические исследования структуры образцов и проанализировали их микрошлифы (образцы со специально обработанной поверхностью для выявления микроструктуры). Полученные данные легли в основу таблицы с геометрическими параметрами композита (к таковым относятся, например, расстояние между центрами нитей основы, площадь поперечного сечения прошивочной нити и т.д.). Ученые определили среднее значение, стандартное отклонение и коэффициент вариации каждого из параметров. На основе полученных данных создали геометрическую модель фрагмента композита и разработали специальный алгоритм моделирования. С помощью этой модели построили уже реальный фрагмент композита.

Фрагмент геометрической модели пространственно-армированного композита с выделенной прошивочной нитью, построенной на основе выявленных параметров структуры

В процессе прогнозирования характеристик материала ученые использовали метод локального приближения, т.е. рассчитывали характеристики композита на его фрагменте, содержащем одну характерную ячейку элемента структуры в центре и окруженную одним ближайшим слоем таких же ячеек.

Результаты, полученные политехниками, оказались точнее на 4-9% результатов расчета композита без учета реальных параметров структуры. Диапазон разброса характеристик не превысил 1,3%. Это значит, что даже если прогнозировать лишь одну из нескольких характеристик, то, вероятно, остальные характеристики, которые можно сравнить с экспериментальными значениями, будут отличаться практически настолько же (до 1,3%), насколько отличается первое вычисленное значение.

Схема моделирования прошивочной нити в ячейке пространственно-армированного композита с характерными точками на её траектории

­– Использование геометрической модели пространственно-армированного композита с учетом реальной структуры в совокупности с численным методом локального приближения позволяет получать более точные характеристики свойств материала, – подводит итог Павел Писарев, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.

Разработанный учеными Пермского Политеха метод позволяет добиться более точного прогнозирования упругих свойств композитных материалов.ст

На основе разработанных моделей возможно проведение дальнейших исследований. Например, изучение влияния разброса геометрических параметров материала на его механические характеристики, прогнозирование нелинейного деформирования и оценка прочности композитов при сложном нагружении.

Для справки:

Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % —региональные университеты.