Как новая методика сделает авиационные и аэрокосмические разработки точнее и дешевле

Российские учёные предложили новую технологию для тестирования авиационных и аэрокосмических композитных материалов. Она включает проведение испытаний на миниатюрных образцах в сочетании с вычислительным моделированием. Технология поможет нарастить количество испытаний и удешевить их стоимость. Это даст возможность ускорить разработку новых самолётов и космических аппаратов, отмечают специалисты.

Чем отличаются композиты и металлические сплавы

Учёные из Сколковского института науки и технологий, Московского авиационного института и Национального исследовательского технологического университета МИСИС разработали новаторскую методику для испытания на прочность полимерных композитов, армированных углеродным волокном. Такие материалы широко используют в современной авиационной и аэрокосмической промышленности. Новый способ предполагает проводить исследования на объёме материала около 1 см³.

Изображение. Вид миниатюрной испытательной платформы под вакуумом, спроектированной и изготовленной учёными Сколтеха, размещённой внутри камеры сканирующего электронного микроскопа. Источник: Skoltech PR

Как объяснили разработчики, полимерные композиты достаточно прочны и устойчивы к деформациям, что позволяет снизить массу изготовленных из них конструкций (например, по сравнению с алюминиевыми сплавами). Однако ряд проблем ограничивает использование этих материалов. В частности, процессы их разрушения гораздо сложнее, чем в металлических сплавах, традиционных для авиации и космонавтики. Это требует пересмотра расчётно-экспериментальных подходов.

— Например, для металлов достаточно знать их химический состав и историю термомеханической обработки, чтобы предсказать основные механические характеристики образцов и поведение материала в готовом изделии. С композитами так не получится: их свойства на уровне образца и готового изделия могут значительно отличаться. Чтобы гарантировать стабильность свойств углекомпозитов, было предложено начинать их изучение на микроуровне, а затем с помощью компьютерного моделирования и рационального эксперимента переносить эти данные на более крупные объекты. Это позволит избежать необходимости каждый раз изготавливать огромные образцы и нагружать их до разрушения, чтобы понять, как работает материал, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, заместитель руководителя Лаборатории ускоренных частиц «ЛУЧ» НИТУ МИСИС Алексей Салимон.

Как проводят исследования на мини-образцах материала

Он объяснил, что для реализации технологии разработан специальный лабораторный испытательный комплекс. Он может помещаться, например, внутри сканирующего электронного микроскопа. Устройство представляет собой специальную раму, на которой закреплены различные детали: датчик усилия, микродвигатели и приводы. Управление ими производится дистанционно, через специальный порт в вакуумной камере сканирующего электронного микроскопа.

Изображение. Снимок с испытания миниатюрного образца на изгиб, проведённого в камере сканирующего электронного микроскопа. Источник: Skoltech PR

Во время испытаний, сообщил учёный, миниатюрные образцы закрепляют на раме в захватах и деформируют в контролируемом режиме. Максимальное усилие, с которым при этом возможно воздействовать на материал, составляет порядка 50 килограмм-силы (вес килограмма при стандартной силе тяжести). Устройство позволяет проводить испытания на изгиб, растяжение и сжатие.

— Материалы, произведённые аддитивным способом — такие, как композиты, — обладают сильной анизотропией свойств (неодинаковостью физических свойств тела внутри него). Традиционно испытания проводят на больших образцах, что требует значительного расхода материала и сложных экспериментальных установок. Мы показали, что эти данные соответствуют тем, которые можно получить на миниатюрных образцах. Причём последние изготовить проще и дешевле, а при наличии их большого количества можно провести множество испытаний и собрать большой статистически значимый объём данных, — пояснил научный сотрудник Центра системного проектирования Сколтеха Евгений Статник.

Изображение. Миниатюрная установка для нагружения образца, разработанная и собранная учёными Сколтеха. Источник: Skoltech PR

На следующем этапе, уточнил он, полученные данные используют для расчётно-экспериментальной корреляции, то есть подтверждения математических моделей. Такое сочетание экспериментальных и вычислительных данных позволяет минимизировать погрешности и получить более полное представление о свойствах материала.

При этом, отметил исследователь, все изменения, которые происходят в материале, исследователи фиксируют с помощью цифровых камер. На каждом шаге нагружения получается изображение исключительно высокого разрешения.

Как объяснил разработчик и конструктор, это позволяет в реальном времени наблюдать деформации и нарушения структуры полимерных композитов на уровне отдельных волокон и эпоксидной матрицы. Стоит отметить, что размер одного углеволокна — около 5–7 микрон, а эпоксидной прослойки между ними — тоже единицы микрон.

— Истоки повреждений и уязвимости материала кроются именно в его микроструктуре и мелкомасштабных деформациях. Мы применили собственные алгоритмы для анализа цифровых видеоданных, которые позволяют на основе полученных в микроскопе детальных изображений увидеть нюансы концентрации деформаций и определить типы дефектов, которые послужили причиной ухудшения свойств исследуемого образца, — пояснил руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Сколтеха, профессор Александр Корсунский.

Изображение. Микрофотографии полимера, армированного углеродным волокном (углепластика), полученные на сканирующем электронном микроскопе. Источник: Skoltech PR

В конечном счёте, подчеркнул он, эти данные помогают точно локализовать и предсказать зарождение и развитие повреждений. Это даёт возможность надёжно рассчитывать прочность материала, чтобы ещё на этапе разработки добиться его требуемых характеристик. А это, в свою очередь, ускорит разработку новых самолётов и космических аппаратов.

Изучение микропроцессов в материале

— Свойства полимеров с эпоксидной матрицей, армированных углеродным волокном, зависят от множества факторов. Например, от направления армирующих волокон, их сочетания со связующим веществом и так далее. Поэтому безопасное применение композитов в авиационном и аэрокосмическом материаловедении требует всестороннего изучения и многократных испытаний, — отметил старший научный сотрудник кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королёва Евгений Куркин.

Изображение. Структурный анализ композитного образца после нагружения до разрушения. Источник: Skoltech PR

По его словам, сокращение размеров образцов позволит увеличить количество экспериментов и нарастить статистику. В результате инженеры получат возможность делать более точные выводы с меньшими затратами. Аналогичные исследования проводят и в других научно-исследовательских учреждениях, в том числе и в Самарском университете.

— Разработка необходима для анализа микропроцессов, которые происходят в композиционных материалах под нагрузкой. Такие данные очень ценные, так как знание механизма протекания процесса даёт возможность управления им, — прокомментировал директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н. Э. Баумана Евгений Александров.

Например, сообщил он, можно определить баланс между смачиваемостью поверхности, адгезией (сцеплением поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел) на межфазной границе наполнителя и матрицы и шероховатостью, необходимой для предотвращения выскальзывания волокна из матрицы под нагрузкой.

Изображение. Локализация деформации, приводящей к локальному разрушению миниатюрного образца. Источник: Skoltech PR

Существуют компьютерные системы для моделирования таких процессов, но всегда оставалось большим вопросом, насколько модель совпадает с реальным объектом. Предложенная методика даёт возможность совместить эти данные, резюмировал эксперт.

— Основное преимущество композитных материалов в авиации и космосе — их высокая удельная прочность, что позволяет экономить вес летательного либо космического аппарата. Также существует возможность выгодно использовать локальную анизотропию (внутреннюю неравномерность). Например, расположить армирование так, чтобы максимальную прочность конструкция демонстрировала именно в направлении приложения основной нагрузки, — сказал заместитель директора по науке и инновациям АО «НИИграфит» Артур Гареев.

Вместе с тем он отметил, что использование совсем малых образцов может конфликтовать с самой структурой материала. Например, будет происходить потеря контакта нитей армирования со связующим, из-за чего прочность композитного материала не сможет реализоваться в полной мере.

По мнению эксперта, для масштабной модели придётся создавать отдельно полный комплект оснастки, что также потребует дополнительных расходов. В целом, в простых нагружениях, где такая методика может быть использована с достаточной степенью уверенности, на самом деле нет нужды в верификации расчётов на масштабных образцах. Грамотно проведённый расчёт для таких случаев совпадёт с результатом реального нагружения очень близко, добавил он.

Текст Андрея Коршунова. Впервые опубликован 19 марта 2025 года на сайте газеты «Известия». Освещённое в материале научное исследование Евгения Статника, Алексея Салимона, Александра Корсунского и соавторов опубликовано в журнале Fracture and Structural Integrity.