Ученые выяснили, как превратить вибрации в инструмент управления трещинами в стеклопластике

Объем мирового рынка стекловолокна — сырья для стеклопластика — достиг 28,7 млрд долларов в 2024 году, эксперты прогнозируют его стабильный рост более чем на 6% ежегодно в течение следующего десятилетия. Это связано с уникальным набором свойств такого материала: сочетает легкость с прочностью, обладает высокой стойкостью к коррозии, имеет низкую теплопроводность и считается диэлектриком (не проводит электрический ток). Благодаря этому стеклопластик стал универсальным решением для ответственных задач: из него делают лопасти ветрогенераторов, элементы самолетов и космических аппаратов, легкие корпуса гоночных автомобилей, а также химически стойкие трубы.

Стеклопластик — это искусственный материал, в котором прочность и жесткость обеспечивают тончайшие стеклянные нити-волокна. Их надежно скрепляет и защищает от внешних воздействий застывшая полимерная смола, которая равномерно распределяет нагрузку.

Однако в ряде случаев сложная внутренняя структура делает материал уязвимым в реальных условиях, где он сталкивается с комплексом постоянно меняющихся нагрузок. Фюзеляж самолета с набором высоты и посадкой испытывает циклическое сжатие и расширение из-за перепада давления между салоном и внешней средой. Лопасти ветрогенератора постоянно изгибаются и растягиваются под действием ветра, кузов гоночного автомобиля на трассе трясет и скручивает от резких маневров и неровностей — на него влияют вибрации.

Многократные нагрузки приводят к накоплению скрытых внутренних повреждений: в связующем материале зарождаются усталостные трещины — микроскопические разрывы, которые растут от постоянных и даже небольших воздействий. В отличие от металлов, которые часто «предупреждают» о разрушении видимой деформацией, стеклопластик разрушается практически без предварительных внешних признаков.

Это создает серьезную проблему для инженеров. Легкость и прочность стеклопластика идеальны для конструкций, где внезапная поломка недопустима. Однако из-за непредсказуемых скрытых разрушений материала инженеры вынуждены идти на компромисс: они проектируют детали с большей толщиной стенок и дополнительными элементами жесткости «на всякий случай». В итоге конструкция теряет свои главные преимущества и становится тяжелее, сложнее и дороже в производстве.

Ученые ПНИПУ исследовали, как сделать процесс разрушения стеклопластика управляемым и предсказуемым. Для этого они провели эксперименты, в которых решили проверить, как крутильные вибрации влияют на развитие уже существующих повреждений. Статья по материалам исследований опубликована в Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда.

Именно такие колебания возникают в реальных условиях, например, в крыльях самолета, проходящего через зону турбулентности, в огромных лопастях ветрогенераторов, которые непрерывно изгибаются и скручиваются под действием ветра, а также в корпусах скоростных поездов и катеров, испытывающих постоянную вибрацию на высокой скорости.

Ученые смоделировали в лаборатории этапы эксплуатации материала. Сначала они подвергли образцы циклической нагрузке, выполнив 5 000 и 7 500 циклов растяжения. Так они воспроизвели усталость, которая приводит к накоплению повреждений в ответственных конструкциях в течение длительного срока службы, например, в лопастях ветрогенератора или в критических элементах планера самолета под действием переменного ветра.

Как и ожидалось, образовавшиеся в результате трещины резко снижали прочность: образец даже с пятимиллиметровым дефектом выдерживал нагрузку в два раза меньшую, чем новый материал. Разрушение при этом становилось внезапным и хрупким.

Затем взяли два типа образцов: новые, целые, и те, в которых предварительно создали трещины, и начали их медленно растягивать. Это было нужно, чтобы смоделировать самый опасный для инженеров сценарий: что произойдет с поврежденной деталью при внезапной перегрузке? Например, выдержит ли крыло с микротрещиной мощный порыв ветра, или труба — постоянное высокое давление? Медленное растяжение как раз и показывает, как материал ведет себя на пределе своих возможностей, раскрывает механизм финальной стадии разрушения.

Одновременно с растяжением на образцы действовали контролируемые крутильные вибрации. Ученые настраивали их амплитуду (от 0,2° до 0,6°) и частоту (от 5 до 20 колебаний в секунду) — именно так имитировали реальные рабочие нагрузки. Например, колебания с амплитудой в несколько десятых градуса и частотой 15-20 герц соответствуют тем скручивающим деформациям, которые испытывает крыло самолета в турбулентности или лопасть ветрогенератора под порывами ветра.

Целью было проверить можно ли вибрации, которые обычно вызывают усталостные трещины, использовать для их контроля. Ученые выясняли, могут ли правильно подобранные колебания заставить повреждение развиваться медленно и предсказуемо, а не мгновенно.

Результаты показали, что влияние вибраций разное для целых и поврежденных образцов. Для новых образцов большинство режимов колебаний были вредны. Например, при параметрах 0,6° и 20 герц прочность материала снижалась примерно на четверть (25%) по сравнению с испытанием без вибраций. При этом разрушение становилось более динамичным.

Для образцов с уже существующей трещиной были найдены оптимальные параметры. При амплитуде 0,4° и частоте 15 герц разрушение становилось более управляемым. Ученые измеряют эту «управляемость» специальным коэффициентом: чем он выше, тем медленнее и более предсказуемо развивается дефект. Для образца с пятимиллиметровой трещиной коэффициент достигал 0,61 — это почти на треть выше, чем без вибраций вообще. Более того, в этом же режиме прочность поврежденного образца даже немного возрастала — примерно на 15%.

Однако положительный эффект проявляется только при точной настройке. Например, при чуть меньшей амплитуде (0,2°) тот же коэффициент был почти в полтора раза ниже, чем в оптимальном режиме. Это означает, что правильно подобранные вибрации меняют сам механизм разрушения, переводя его из внезапного и опасного в постепенный и предсказуемый.

Хотя процесс разрушения становится более плавным, ультразвуковой контроль показал, что в целом материал повреждается сильнее. Например, общая доля дефектов для образца с 5-мм трещиной возрастала с 16% до 24%. Это значит, что вместо того, чтобы продлевать одну опасную трещину, энергия разрушения создает множество мелких дефектов по всему объему материала.

Поля дефектных зон после растяжения образцов стеклопластика без дополнительных вибраций (а, б, в) и с дополнительными вибрациями (г, д, е) с предварительным циклированием 0 (а, г), 5000 (б, д), 7500 (в, е) циклов, полученные ультразвуковыми методами (слева) и термографическим методом (справа) / © В.Э. Вильдеман, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics

— Контролируемые вибрации перераспределяют напряжения в зоне трещины, особенно в неоднородной структуре стеклопластика, и меняют сам характер повреждения. На снимках термографии видно, как тепловое поле выравнивается, а ультразвук показывает, как дефекты распределяются по всему материалу. Вместо концентрации в одной опасной зоне они «распыляются», затрачивая на это часть разрушительной энергии. Именно это превращает внезапный хрупкий разрыв в постепенный и контролируемый процесс, что может дать инженерным системам драгоценный запас времени, чтобы обнаружить угрозу и безопасно остановить работу конструкции, — объяснил старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения, кандидат физико-математических наук Михаил Третьяков.

Полученные результаты исследования открывают новые возможности для анализа процессов разрушения, проектирования и оценки долговечности конструкций из стеклопластиков, эксплуатируемых в экстремальных условиях — например, лопастей ветрогенераторов или корпусов летательных аппаратов. Это позволит создавать более безопасные и долговечные конструкции, а также разрабатывать регламенты диагностики и обслуживания.

В перспективе эти знания открывают путь к созданию интеллектуальных систем нового поколения. Представьте лопасть ветрогенератора или элемент корпуса самолета, оснащенные датчиками. Такая система могла бы в реальном времени отслеживать появление микротрещин и автоматически включать «стабилизирующие» вибрации, чтобы замедлить их рост. Это означает, что можно будет отказаться от замены деталей по жесткому графику. Если система сможет стабилизировать трещину, ее рост станет предсказуемым. В итоге обслуживать или менять дорогостоящие компоненты нужно будет только по фактической необходимости, что одновременно повысит безопасность и приведет к значительной экономии.