Ученые Пермского Политеха выяснили, как предотвратить поломки стеклопластиковых труб

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.

Исследование опубликовано в научном журнале Polymers, №15 (Q1) за 2023 год в рамках реализации гранта РНФ №22-79-00136 «Накопление повреждений и разрушение полимерных композитов в условиях предварительного двухосного циклического нагружения».

Разрушение полимерных композитов – сложный процесс, протекающий на разных уровнях (армирующее волокно, матрица). Определение типа повреждений необходимо для прогнозирования механизма этого процесса.

На сегодня имеется большое количество исследований по снижению жесткости и прочности композитов при одноосном циклическом нагружении – когда нагрузка прикладывается в одном направлении, например, при растяжении. Представьте, как стержень вытягивают вверх за свободный конец, все его точки стремятся переместиться в направлении приложения нагрузки.

Но во время эксплуатации конструкции из композитов, в том числе трубы из стеклопластиков, находятся в условиях сложного многоосного нагружения, например, растяжения и кручения. Теперь представьте, как стержень не просто вытягивают вверх, но и одновременно скручивают – помимо растягивающей составляющей появляется еще один вин нагружения, который прикладывается в совсем другом направлении. Такой вид нагружения иначе влияет на механическое поведение конструкций, поэтому важно получать новые экспериментальные данные.

Для испытаний в условиях многоосного нагружения сотрудники Пермского Политеха разделили образцы стеклопластиковых труб на две группы. Статические и циклические испытания проводились в условиях растяжения, кручения и пропорционального растяжения-кручения. В результате экспериментов ученые описали процесс снижения жесткости стеклопластиковых труб и проверили, насколько точны существующие модели расчета усталостной чувствительности (свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся нагрузок).

После статического разрушения был проведен анализ дефектов. Ученые выявили образование множества трещин вследствие разрушения матрицы (основы композита) внутри намоточной ленты при испытании на растяжение. При кручении наблюдалось большое количество повреждений, связанных с нарушением сцепления между матрицей и волокнами.

Ученые диагностировали процессы накопления повреждений и разрушения конструкций методом акустической эмиссии с применением системы AMSY-6. Акустическая эмиссия – метод «неразрушающего» контроля, когда материал при его деформации распространяет упругие колебания (акустические волны). С помощью этого метода выявляют наиболее опасные воздействия.

Во время исследований было установлено хорошее соответствие между анализом сигналов акустической эмиссии и оптической микроскопией. Их совместное использование для диагностики позволило установить связь между возникающими дефектами и сигналами акустического отклика. Учеными был отмечен поэтапный характер накопления повреждений.

– Исследование усталостной чувствительности композитов при многоосном циклическом нагружении – актуальная задача механики деформируемого твердого тела. Получаемые в результате таких экспериментов данные должны учитываться при проектировании композитных конструкций для точного прогнозирования их срока службы, – говорит старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Олег Староверов.

Для справки:

Грант Российского научного фонда № 22-79-00136 «Накопление повреждений и разрушение полимерных композитов в условиях предварительного двухосного циклического нагружения» – Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.