Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Высокая вязкость расплава термопластичной смолы препятствует пропитке волокон при изготовлении предварительно пропитанных лент на основе углеродных волокон и полиамида. На основе закона Дарси была построена теоретическая модель давления пропитки расплавом смолы и степени пропитки расплавом смолы непрерывного пучка волокон на пропиточных роликах, и было установлено, что на степень пропитки влияют скорость вытягивания, температура пропитки, площадь пучка, количество пропиточных роликов и угол подачи пучка. На основе модели пропитки расплавом была разработана фильера для пропитки ленты. В результате расчетно-экспериментальных исследований был оптимизирован процесс изготовления предварительно пропитанных лент на основе углеродного волокна UMT49-12K и полиамида PA 6 (объемное содержание армирующего наполнителя – 36%). Получены следующие технологические параметры процесса пропитки расплавом: частота вращения шнека 4 об/мин, температура экструдера – 240 °С, температура пропиточной фильеры 240 °С, скорость протяжки ленты – 22 м/мин. Разработана технология изготовления термопластичных пултрузионных профилей с поперечным армированием. В рамках выполнения данного этапа проекта было проведено комплексное исследование внутренней структуры и дефектов двунаправленных пултрузионных композитов на основе стекловолокна и полипропилена. С использованием методов рентгеновской микротомографии и численного моделирования проанализировано влияние технологических параметров на формирование микроструктуры материала с различным соотношением продольного и поперечного армирования (5/6, 7/4, 9/2). В ходе работы были выявлены закономерности формирования разориентации волокон, при этом установлено, что степень искажения волокнистой структуры напрямую зависит от доли поперечных слоев в пакете. Для структур с высоким содержанием поперечного армирования (серия 5/6) зафиксированы критические отклонения ориентации волокон в слоях 90°, достигающие 30–40° на краях профиля, что свидетельствует о существенной неравномерности поля скоростей течения расплава в фильере. В то же время для структур с преобладанием продольного армирования (7/4 и 9/2) отклонения значительно ниже, хотя уровень разориентации все равно в два раза превышает показатели исходного препрега. Важно отметить, что продольные слои (0°) демонстрируют высокую стабильность ориентации во всех типах образцов. Важнейшим результатом стало установление корреляции «Структура – Свойства». Доказано, что наблюдаемое аномальное снижение продольного модуля упругости для образцов серии 5/6 (на ~20% ниже теоретического значения) полностью обусловлено выявленными искажениями микроструктуры. Численное моделирование на основе реальных XCT-данных показало высокую сходимость с результатами механических испытаний, тогда как для серий 7/4 и 9/2 влияние дефектов на жесткость признано несущественным. Результаты исследований термопластичного пултрузионного профиля с поперечным армированием опубликованы в совместной статье [1]. Проведены исследования эффективности пултрузионных заклепок из стекловолокна/полипропилена (GF/PP) в конструкционных композитных соединениях. Были изготовлены пултрузионные термопластичные заклепки, которые использовались для формирования заклепочных соединений композитных ламинатов методом горячего прессования. Полученные заклепочные соединения подвергались статическим и усталостным механическим испытаниям. Прочность соединения оценивалась на основе диаграмм «нагрузка-перемещение» при статическом нагружении, а режимы разрушения оценивались на основе кривых усталости (F-N) при циклическом нагружении. Усталостное поведение соединений с заклепками GF/PP сравнивалось с поведением различных типов соединений аналогичных размеров, включая болтовые, клеевые и гибридные соединения. Исследование проводилось в контролируемых лабораторных условиях; влияние реальных условий эксплуатации, таких как термоциклирование и воздействие влаги, на долговременную долговечность этих соединений остается критически важной областью для будущих исследований. Ключевым преимуществом заклепочных соединений является «неинвазивный» характер разрушения (щадящий по отношению к основному материалу), который заключался либо в срезе стержня заклепки, либо в отслоении головки. В отличие от болтовых соединений, вызывающих разрушение ламината смятием/срезом, данные виды разрушения сохраняли структурную целостность основного композитного материала, что дает преимущества для инспекции и ремонта. Результаты исследований усталостного поведения композитных заклепочных соединений опубликованы в работе [2]. Изучалась стойкость к воздействию окружающей среды термопластичных композитных профилей, полученных методом пултрузии из базальтового волокна и полиамида (БПАПП) и стеклянного волокна и полиамида (СПАПП), после погружения в дистиллированную воду и щелочной раствор при температурах 20 °C и 40 °C в течение 120 дней. В наиболее агрессивных условиях старения (щелочной раствор при 40 °C) композит БПАПП сохранил 32 % своей первоначальной прочности на продольный изгиб, тогда как СПАПП сохранил 26 %, несмотря на более низкую начальную прочность. В случае межслойной прочности на сдвиг БПАПП сохранил 73 % своей первоначальной прочности, а СПАПП — 61 %, что указывает на сильную деградацию межфазной границы в стекловолоконном композите. В дистиллированной воде деградация менее выражена по сравнению со щелочной средой. При 40 °C композит БПАПП сохранил заметно более высокую прочность на изгиб и сдвиг, чем СПАПП, со значениями межслоевого сдвига, близкими к 29,7 МПа против 17,4 МПа для композита СПАПП. Результаты исследований долговечности пултрузионных термопластичных композитов на основе полиамида опубликованы в работе [3]. [1] Ломов С., Карамов Р., Бурухин А., Эмон М., Минченков К., Гусев С., Ли Ч., Сянь Г., Сафонов А. Manufacturing-caused distortion of fibrous microstructure in bidirectional pultruded E-glass/polypropylene thermoplastic composites Results in Engineering (2025) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123025047164 [2] Макеера С., Яворский Ю., Гусев С., Волосков Б., Конев С., Карамов Р., Фомина Е., Ли Ч., Сянь Г., Сафонов А. Fatigue performance and failure mechanisms of pultruded GF/PP rivets in single lap composite joints Materials & Design (2025) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127525016235 [3] Пал С., Белозерова Я., Яворский Ю., Гусев С., Сафонов А. Durability study of thermoplastic pultruded composites based on polyamide Results in Engineering (2025) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123025043877