Учёные Центра технологий материалов Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Сианьского университета Цзяотун и Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН провели систематическое исследование изгибных свойств пултрузионных стеклопластиков на основе трёх различных термопластичных матриц — полифениленсульфида (PPS), полиамида-6 (PA6) и полипропилена (PP). Результаты показывают, что поведение композита при нагреве в первую очередь определяется полимерной матрицей, а не армированием. Выводы помогут инженерам выбирать материалы для компонентов, работающих при повышенных температурах — в авиации, автомобилестроении, энергетике и других отраслях. Работа опубликована в журнале Next Materials и поддержана грантом РНФ.
Учёные проверили, как меняется прочность материалов при нагреве от комнатной температуры до 280 °C. Лучше всего высокие температуры выдерживал композит на основе полифениленсульфида — он сохранял прочность даже при 260 °C, а при 220 °C у него оставалось больше половины начальной жёсткости. Материал на основе полиамида-6 был самым прочным при комнатной температуре, но при нагреве его свойства постепенно ухудшались. А композит на основе полипропилена начинал разрушаться уже при 120 °C и полностью терял несущую способность к 160 °C.
Термический анализ подтвердил, что поведение материалов при нагреве определяется свойствами полимерной основы. PPS-композит начал разлагаться позже всех (при 374 °C) и имел самую высокую температуру стеклования (109 °C), что и обеспечило его стойкость. Материал на основе PA6 занял промежуточное положение, а PP-композит разрушался быстрее всего из-за низкой температуры плавления (151 °C).
«Результаты помогут инженерам правильно выбирать материалы для деталей, работающих при высоких температурах — например, в авиации, автомобилях и энергетике. Исследование показало, что даже если в состав композита входит одинаковое армирующее волокно, его поведение при нагреве определяется именно полимерной матрицей. Среди изученных материалов PPS лучше всего подходит для горячих условий, тогда как полипропилен можно использовать только там, где температура не поднимается выше 100–120 °C», — отметил Александр Сафонов, руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха.
«Мы проверили, насколько хорошо существующие аналитические модели описывают температурную деградацию этих материалов. Оказалось, что универсальной модели нет — для каждого типа матрицы нужен свой подход. Это важно для расчётов конструкций: неправильный выбор модели может привести к ошибкам в оценке несущей способности. Мы показали, что модели Mahieux и Bosze лучше работают для материалов с постепенной деградацией (PPS и PA6), а для полипропилена, где свойства падают резко, достаточно более простых моделей», — отметил Сухвант Пал, первый автор работы, аспирант программы «Математика и механика» Сколтеха.
