Эксперименты томских и уральских материаловедов повысят ударную прочность ячеистых композитов

Совместный коллектив ученых из Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург) и Томского научного центра СО РАН изучил механизмы разрушения образцов изделий с биоподобной ячеистой структурой из полимолочной кислоты, напечатанных на 3D-принтере, и определил их оптимальную структуру и плотность для использования в авиакосмической технике и машиностроении. Результаты проведенных баллистических экспериментов представлены в высокорейтинговом журнале Polymer .

– Нити из полимолочной кислоты являются перспективным биоразлагаемым полимером, который можно получать из сахарного тростника, кукурузы и других возобновляемых источников. Уникальность произведенных из них изделий и конструкций заключается в следующем: во-первых, их особая ячеистая структура подсказана самой природой; во-вторых, их использование не наносит урона окружающей среде; в-третьих, их одновременно отличает легкость, жесткость и прочность, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Оксана Иванова.

Получить подобные изделия традиционными способами нельзя, это стало возможным лишь благодаря развитию технологий 3D-принтинга и методов послойного наплавления. Коллеги из Екатеринбурга разработали специальную компьютерную программу. С ее помощью создается трехмерная цифровая модель образцов, которая затем делится на слои (это необходимо для последующего процесса печати), после чего генерируется специальный код, содержащий все необходимые параметры печати и инструкции для 3D-принтера.

Ученые напечатали три вида образцов с разным размером пор и плотностью. Образцы с мелкими ячейками около 1 миллиметра имели плотность 0,93 грамма на сантиметр кубический; со средними – 0,62 г/см3, с самыми крупными сотами до полсантиметра – 0,31 г/см3. По своему внешнему виду они напоминают детали причудливого детского конструктора или внутренние фрагменты термитника. Такая необычная структура носит название «трижды периодической поверхности минимальной энергии типа алмазной поверхности Шварца» (Schwarz Diamond Surface), она как раз и представляет собой постоянно повторяющуюся последовательность одинаковых ячеек-сот.

– У нашего научного коллектива появилась идея – исследовать, как же такие уникальные изделия ведут себя в условиях динамической нагрузки, как они способны выдержать удар, и каковы механизмы разрушения в них, – отметил ведущий научный сотрудник ТНЦ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Зелепугин.

Научный сотрудник ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Роман Черепанов впервые провел серию баллистических экспериментов, сконструировав для этого специальный испытательный стенд. Он включал в себя пневматическую винтовку Crossman 2100 classic, устройство для регистрации скорости сферического снаряда (стального шарика, покрытого медью) и карман для размещения испытуемого образца и улавливания шарика и осколков.

Образцы подверглись обстрелу шарами, летящими со скоростями около 220 и 185 метров в секунду. В качестве мишеней выступили три образца с пористой структурой, имеющие разную плотность. Для сравнения специально был изготовлен стопроцентно плотный образец, не содержащий каких-либо пустот в своей структуре. Затем все образцы были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ученым удалось установить, что механизм разрушения напрямую зависит от плотности образца: с ее увеличением его характер меняется с вязкого на квазихрупкий.

– Сплошные печатные образцы очень сильно разрушаются – со значительной зоной расслоения материалов, вплоть до трещин, подобно керамике. В отличие от них, сетчатые конструкции так не трескаются, и сама зона разрушения в них намного меньше, чем в сплошном изделии. Следует отметить, что самым стойким оказался образец со средними порами и плотностью, он наиболее эффективно способен выдерживать серьезные динамические нагрузки, – пояснил Роман Олегович.

Результаты эксперимента позволят оптимизировать печать биоразлагаемых полимерных ячеистых конструкций, способных хорошо справляться с большими ударными нагрузками, для авиакосмической и машиностроительной отраслей. В планах ученых – продолжить серию баллистических экспериментов с другими широко востребованными сейчас видами полимеров.