Анализ неоднозначных диаграмм нагружения при испытаниях перспективных композиционных материалов (промежуточный)

В последние годы бурно развиваются технологии создания изделий авиакосмического транспорта из объемноармированных полимерных композиционных материалов (вязаные структуры, 3D-армированные, прошивные и т.п.). При этом внедрение структурно чувствительных материалов в промышленность для создания высокоответственных изделий сталкивается с существенными сложностями. Так при переходе от стандартных образцов, через конструктивно подобные элементы, и далее к изделию «прочность материала» может деградировать на порядок. Для определения и/или верификации механических свойств и характеристик композиционных материалов существует множество стандартных (как ГОСТ,так и, особенно, ASTM) методик. Однако для объемных структур данные методики часто становятся не пригодными ввиду существенного отличия их механического поведения от традиционных ламинатов и текстолитов, на которые в первую очередь ориентированы стандарты. Например, проблемы могут возникать при испытаниях на сжатие, сдвиг и изгиб – при определении предела прочности на диаграмме отсутствует очевидный максимум. Стандарты в подобных ситуациях предлагают, как правило, некоторый формальный признак (ограничитель). Результаты, полученные на основе таких ограничений, совершенно не отражают физические процессы, формальны, ложны. Если в партии образцов большинство или все результаты получены с применением формальных ограничителей, то результат приходится признать неудовлетворительным и, часто, смириться с невозможностью адекватной экспериментальной оценки данной характеристики. Современное состояние теории композитов предполагает определение композиционного материала как гетерогенной среды, феноменологические свойства компонентов (факторов гетерогенности) которой известны или могут быть определены, и для которой актуальны подходы и методы теории композитов. Подобное определение позволяет отнести к композиционным практически все конструкционные материалы, а материалы, соответствующие гипотезам однородности и изотропии считать идеализированным частным случаем композита. Для изделий из полимерных композиционных материалов применяются текстолиты, ламинаты, а также все большее применение находят объёмные вязаные структуры, 3D-армированные КМ и многослойные прошивные ткани. Наряду с использованием новых технологий производства, возникают проблемы в области получения знаний о процессах деформирования и разрушения в ходе эксплуатации изделий из композиционных материалов, решение которых требует комплексных методик экспериментальных исследований. Существующие методы теоретического предсказания упругих и прочностных характеристик ПКМ по свойствам компонентов пока не дают надежных результатов из-за трудности учета большого числа существенных факторов. Крайне важную роль при этом играют вопросы экспериментального изучения указанных свойств с использованием современного высокоточного научного оборудования и новых методик исследования. Экспериментальные работы, направленные на мониторинг процессов деформирования и разрушения с использованием современного испытательного оборудования, позволяют получать новые, гораздо более объективные, экспериментальные данные, решая проблемы перевода структурночувствительных материалов в производство изделий без значительного снижения начальных характеристик на основе комплексно-перекрёстных способов исследования. На сегодня известны различные эффекты и особенности поведения композиционных материалов при проведении «обычных» испытаний. Так не являются чем-то удивительным такие особенности как положительная бимодульность, отрицательный коэффициент Пуассона и прочее. В этом ряду можно упомянуть и неоднозначные диаграммы: диаграммы, имеющие множество срывов на восходящем участке, не имеющие явного максимума и тому подобное. Таким образом, актуальным становится выявление возможностей и построение алгоритмов объективного определения механических свойств и характеристик объёмноармированных полимерных композиционных материалов авиационного назначения, основанных на учете реальной физической деградации свойств при нагружении. Развитие методологии проведения экспериментальных исследований с использованием современных испытательных и измерительных систем и изучение механического поведения конструкционных композитов ответственного назначения. Движение в этом направлении обеспечит создание условий для возникновения научно обоснованной базы внедрения структурночувствительных материалов и инновационных решений при изготовлении высокоответственных изделий авиационно-космической отрасли, что способствует удержанию лидерских позиций в освоении и использовании космического и воздушного пространства. В результате данного исследования проведено уточнение стандартных методик проведения механических испытаний образцов объемноармированных полимерных композиционных материалов через применение так называемых «дополнительных средств измерений» в ходе процесса нагружения типа систем анализа полей деформаций методом корреляции цифровых изображений (DIC), метода акустической эмиссии, тепловизионного сканирования. Изготовлены образцы различных типов объемноармированного углепластика (по результатам анализа стандартных испытаний) с учётом необходимости установки дополнительных средств измерений. Экспериментальные исследования проведены с использованием уникального комплекса новейшего оборудования Центра экспериментальной механики ПНИПУ. Исследования свойств и закономерностей механического поведения материалов осуществлено на основе методик ASTM с опорой на имеющееся оборудование и приспособления. Получены результаты пробных испытаний для подтверждения неоднозначности диаграмм, выявлены возможности проведения параллельных измерений различного типа. Получены совмещённые диаграммы нагружения и дополнительных измерений. Параметром синхронизации для дополнительных систем выступает время. Синхронизируя независимые показания систем по времени деформирования образца, удаётся опосредованно строить совмещённые диаграммы, в координатах «нагрузка – перемещение», «кумулятивная энергия – перемещение» и другие. На основе анализа предварительных данных сделан вывод о принципиальной возможности объективного уточнения механических характеристик.