Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнено модельное описание процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций в конструкциях, выполненных из композитов на основе термопластичного полимера - полисульфона, армированного непрерывными углеродными волокнами. В модельном описании выделены элементы неоднородности, имеющие высокий структурный уровень. Рассмотрены два вида взаимодействия в периодической структуре: взаимодействие, зависящее от расстояния между волокнами и их взаимное расположение, и взаимодействия волокна с матрицей. Рассмотрено разрушение однонаправленного волокнистого композита, путем накопления повреждения в полимерной матрице и обрывов нитей. Модельное описание процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций показало, что взаимодействие, наблюдаемое в структуре композиционной среды, зависит от расстояния между волокнами и их взаимного расположения, углов разориентации волокон . Это взаимодействие приводит к нарастающей концентрации напряжений в композиционной среде с ростом относительного объемного содержания включений. За счет него обеспечивается значительный вклад в величину модулей в высоконаполненных композиционных материалах. Для построения корректной модели деформационного поведения термопластичных полимеров были разработаны методы и алгоритмы, позволяющие формировать структуру композиционной среды на основе данных, полученных при изучении исходных образцов, с учетом особенности их строения. Был сформирован и обработан набор микрофотографий, полученный с продольных и поперечных шлифов микропластиков с увеличениями х100, х200 и х500. Были разработаны: алгоритм решения задачи оценки распределения значений углов разориентации; алгоритм решения задачи оценки расстояний между волокнами (в продольной проекции); алгоритм решения задачи оценки расстояний между волокнами (в поперечной проекции). Для обеспечения работы указанных алгоритмов были продолжены методы очистки изображений от искажений: цифровой шум, геометрические искажения, вызванные поворотом, неравномерность в освещенности, расфокусировка, сдвиг. Были подобраны параметры фильтра, обеспечивающие наибольшее подавление шума в микрофотографиях образцов. Для понижения размерности признакового пространства данных использовался метод главных компонент. Были разработаны алгоритмы поиска замкнутых контуров и расстояний между ними. Были найдены показатели, характеризующие структурные особенности образцов. Получены: распределение значений углов разориентации волокон и функции их плотности; распределение значений углов разориентации волокон, полученное для группы образцов; функция плотности распределения значений углов разориентации, построенная для группы образцов; распределение значений расстояний между волокнами в продольной проекции; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в продольной проекции) в образце; распределение значений расстояний между волокнами в продольной проекции, полученное для группы образцов; функция плотности нормального распределения значений расстояний между волокнами построенная для группы образцов; распределение значений расстояний между волокнами в поперечной проекции; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в поперечной проекции) в образце; распределение значений расстояний между волокнами в поперечной проекции, полученное для группы образцов; функция плотности распределения значений расстояний между волокнами (в поперечной проекции) в образце, построенная для группы образцов. Построение моделей термопластичных полимеров на основе данных, полученных при изучении исходных образцов, позволило выделить элементы неоднородности, имеющие высокий структурный уровень. Разработаны алгоритмы, реализующие методы подвижных клеточных автоматов и молекулярной динамики, позволяющие проводить многоуровневое моделирование механического поведения армированных углеродным волокном термопластов. В рамках метода подвижных клеточных автоматов моделируемая среда была представлена ансамблем взаимодействующих элементов конечного размера и определенной исходной формы, которая может изменяться в процессе деформирования. Моделирование механического поведения показало, что для описания поведения материалов со сложной структурой, имеющей тенденцию к перестроению, наряду с классическими методами сплошных сред необходимо привлекать класс методов, позволяющих в явном виде задавать как структуру моделируемой среды, так и законы взаимодействия между структурными элементами. Вовлечение механизмов определенного иерархического уровня, происходящее при достижении некоторого порогового значения внутренних напряжений, не «отменяет» функционирование механизмов низших уровней, но обусловлено их недостаточностью для компенсации роста уровня внутренних напряжений в системе. Разработано программное обеспечение для расчета эволюции заданной физической модели деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон». При выполнении численного интегрирования был использован расчет соответствующего межчастичного взаимодействия, который зависит от выбранной физической модели или потенциала и определяется поведением моделируемой системы. Программный модуль включает систему подготовки данных, расчетные ядра, систему хранения результатов расчетов, систему представления результатов. Были проведены тестовые расчеты процессов зарождения и развития локальных структурных трансформаций в композитах на основе термопластичных полимеров, армированных непрерывными углеродными волокнами, и их сравнение с имеющимися экспериментальными данными. В тестовых расчетах использовались 3D-модели термопластичных полимеров, построенные с учетом информации о структуре композиционной среды, полученной при изучении исходных образцов. Изготовлены тестовые образцы микропластиков на основе высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и термопластичного связующего - Полисульфон Ultrason S 2010 с содержанием связующего от 15 до 50 масс.% Изготовлены образцы сравнения - микропластики с термореактивной эпоксидной матрицей на основе высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон. Проведены испытания микропластиков и не пропитанных нитей с определением модуля упругости, деформаций при разрушении, предела прочности при растяжении и построением диаграмм "нагрузка-деформация". Исследована структура исходных образцов и поверхностей разрушения с использованием СЭМ. Установлена взаимосвязь структуры образцов с особенностями деформационного поведения микропластиков на основе полисульфона при растяжении. Экспериментальное моделирование показало, что в деформационное поведение микропластиков на основе углеродных волокон пропитанных полисульфоном отличается от характерного для композитов с термореактивными матрицами и деформационного поведения не пропитанных нитей. Диаграммы термопластичных микропластиков содержат два не линейных участка: начальный в интервале напряжений до 150-180 МПа и конечный при напряжениях выше 1200-1500 МПа. Скорость испытания не влияет на прочность композитов с современными высокопрочными углеродными волокнами и матрицей из полисульфона в интервале скоростей перемещения траверсы от 1 до 100 мм/мин., для высокомодульных волокон наблюдается снижение прочности на 30 % при изменении скорости траверсы с 1 до 30 мм/мин. С ростом содержания волокна с 60 до 80 масс.% прочность композитов снижается на 30-35 % для высокопрочных и на 45-50 % для высокомодульных волокон. Разработан метод определения толщины переходного слоя на границе полисульфон-углеродное волокно по данным СЭМ. Толщина переходного слоя по результатам выполненных измерений составляет 0,290-0,410 мкм и не зависит от типа углеродного волокна.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработана уточненная математическая модель деформационного поведения однонаправленного монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» при воздействии однонаправленных растягивающих нагрузок и в условиях сложнонапряженного состояния. Для построения уточненной модели деформационного поведения были рассмотрены особенности строения указанных материалов на микроуровне. Разработан программный комплекс, состоящий из набора модулей, написанных на языке Python для работы во взаимодействии с пакетом ABAQUS CAE, а также программных модулей на языке C++, обеспечивающих расчетную часть моделирования поведения исследуемых термопластиков. Проведено исследование деформационного поведения монослоя однонаправленного термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» изготовленных на основе углеродных нитей различного номинала (3К, 12К) с содержанием полимера от 20 до 50 масс.%., а также исследование деформационного поведения монослоя термопластичного препрега «углеродное волокно – полисульфон» на основе углеродных тканей с различным типом плетения (полотняное, саржевое) изготовленных на основе углеродных нитей различного номинала (3К, 12К) с содержанием полимера от 20 до 50 масс.%. Проведенные исследования показали хорошую степень совпадения результатов с натурными экспериментами, описанными ниже. Получены зависимости предела прочности, модуля упругости, деформации при разрушении и коэффициентов Пуассона для образцов термопластичных препрегов на основе однонаправленных лент и углеродных тканей с различным типом плетения (полотняное, саржевое) изготовленных на основе углеродных нитей различного номинала (3К, 12К) с содержанием полимера 20±1, 30±1, 40±1 и 50±1 масс.%. Показано, что деформационное поведение для однонаправленных лент схоже с поведением однонаправленных микропластиков. Зависимости «нагрузка-деформация» имеют три четко выраженных участка: начальный линейный в интервале деформаций от 0 до 0,3 – 0,35% и напряжений от 0 до 200 МПа, конечный линейный в интервале деформаций свыше 0,6% и напряжений выше 500 МПа, и переходный в пределах которого происходит возрастание эффективного модуля упругости. Эффективные значения модуля упругости для однонаправленных лент на основе волокон номиналом 3К возрастает с 62 ГПа на начальном участке до 75 ГПа к моменту разрушения, а для однонаправленных лент на волокне номиналом 12К с 75 до 91 ГПа соответственно. Коэффициент Пуассона для однонаправленных лент близок к значению характерному чистому полисульфону и находятся в пределах 0,38-0,43. На шлифах исследована микроструктура поперечного сечения пропитанных нитей, показано, что внутри наряду с участками с совершенной структурой, присутствуют поры ориентированные вдоль направления вытяжки, области содержащие прослойки чистого полимера толщиной до 30 мкм, области заполненные полимером области с разреженным заполнением углеродными волокнами, на поверхности образцов может присутствовать прослойка полимера толщиной до 20 мкм. Для образцов с малым содержанием дефектов удается достигнуть значений прочности 4,9 – 5,1 ГПа (волокна Toray T700) и модуля упругости 240 ГПа, что соответствует полной реализации паспортных значений прочности и модуля упругости. Модуль упругости микропластиков с термопластичной матрицей, определяемый на начальном участке (при напряжениях 25-100 МПа), составляет порядка 200 ГПа для высокопрочных волокон и 280 ГПа в случае высокомодульных волокон, что составляет порядка 85% от их общей жесткости, с увеличением действующей нагрузки происходит увеличение эффективного модуля упругости до паспортных значений. На основании измерений величин продольной деформации с использованием цифровых фотографий проведен расчет коэффициентов Пуассона для микропластиков. На начальном участке диаграммы «нагрузка-деформация» в интервале напряжений 25 – 500 МПа, коэффициент Пуассона составляет 0,40 - 0,43, что соответствует значению для чистого полисульфона (0,40 ± 0,01). С увеличением действующих напряжений, значения эффективного коэффициента Пуассона начинают убывать до значений 0,17 – 0,22, что позволяет предположить, что получаемые значения близки к значениям характерным углеродным филаментам. С использованием полученных видео изображений с помощью кода MATLAB «Расширенная корреляция цифровых изображений по Лагранжу» с использованием алгоритма отслеживания изображения построены поля смещений точек на поверхности образцов микропластиков, проведен расчет полей деформаций с наложением полученных результатов на исходные изображения. Выявлено, что в интервале напряжений от 25 до 500 МПа в микропластиках происходит развитие деформаций, которые локализуются в областях длиной до 600 мкм и шириной 10-50 мкм в направлении приложения нагрузки. Релаксация напряжений, протекающее в микропластиках обеспечивает снижение напряжений до 10 МПа, при этом время выхода на равновесные значения для напряжений 1 ГПа составляет 2-4 часа, для уровня 3 ГПа 20-40 минут. Процессы ползучести являются локализованными по времени, для уровня напряжений равного 1000 МПа, рост деформации в микропластиках на основе высокопрочных и высокомодульных волокон завершается в пределах от 40 минут 1,5 часов с момента приложения нагрузки, а при уровне напряжений 3000 – 3500 МПа в течение 8-10 минут. Деформация, реализуемая за счет ползучести, незначительна и составляет порядка 0,01% или 5-10 мкм, и слабо зависит от содержания полимера в материале во всем исследованном интервале концентраций полимера от 20 до 50 масс.%. Повторные испытания образцов прошедших без разрушения и повреждения испытания на релаксацию напряжений, ползучесть и малоцикловую усталость на статическое растяжение показывают увеличение модуля упругости на начальном участке диаграммы «нагрузка-деформация» на 10 – 18 ГПа, что свидетельствует об изменениях в разориентации и степенях натяжения отдельных пучков волокон. При этом изменения эффективного модуля упругости на конечном участке не происходит, сохраняются значения близкие . Условный предел усталостной прочности, при мягком цикле нагружения, по критерию отсутствия разрушений на выбранной базе испытаний в 10000 циклов составляет для высокопрочных волокон Toray T700 - 2,5 ГПа, для высокомодульных волокон UMT400 - 2 ГПа. Определены значения коэффициентов Пуассона, установлено, что для образцов препрегов пропитанных термопластичным связующим на основе однонаправленных углеродных лент составляет 0,4 – 0,43, для образцов на базе тканей с полотняным плетением 0,34 – 0,37, для тканей саржевым плетением 0,28 – 0,33. С использованием обработки видеоизображений с помощью кода MATLAB «Расширенная корреляция цифровых изображений по Лагранжу» с применением алгоритма отслеживания изображения построены поля смещений точек на поверхности образцов микропластиков. Проведен расчет полей деформаций с наложением полученных результатов на исходные изображения для монослоев на основе однонаправленных лент и тканей с различным типом плетения. Опубликованы 2 статьи в журналах входящих в Q1 1. Stepashkin, A.A.; Mohammad, H.; Makarova, E.D.; Odintsova, Y.V.; Laptev, A.I.; Tcherdyntsev, V.V. Deformation Behavior of Single Carbon Fibers Impregnated with Polysulfone by Polymer Solution Method. Polymers 2023, 15, 570, https://doi.org/10.3390/polym15030570. 2. Stepashkin A.A.; Suresh Chavhan, Gromov S.V.; Ashish Khanna; Tcherdyntsev V.V.; Deepak Gupta; Mohammad H.; Medvedeva E.V.; Namita Gupta; Alexandrova, S.S. ANN-based structure peciliaties evaluation of polymer composite reinforced with unidirectional carbon fiber. Alexandria Engineering Journal, 2023, 82, pp 218–239, https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.09.062 подготовлена и загружена статья Journal of Reinforced Plastics and Composites входящий в Q1 3. Andrey A. Stepashkin, E.D. Makarova, L.K. Olifirov, Hussam Mohammad, Victor V. Tcherdyntsev. Development of deformations in composite materials carbon fiber - thermoplastic matrix under the influence of long-term and cyclic loads.