Исследования ученых РАН помогут повысить прочность ячеистых композитов

Механизмы разрушения образцов изделий с биоподобной ячеистой структурой из полимолочной кислоты (PLA), напечатанных на 3D-принтере, выяснил коллектив ученых из Института физики металлов УрО РАН и Томского научного центра (ТНЦ) СО РАН, 14 января сообщила пресс-служба ТНЦ.

Полученные в ходе экспериментов данные помогли ученым определить оптимальную структуру и плотность материалов из PLA для использования их в авиакосмической технике и машиностроении.

Старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Оксана Иванова пояснила:

«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».

Изделия с такой биоподобной ячеистой структурой нельзя получить традиционными способами, но современная технология 3D-принтинга и методов послойного наплавления обеспечила такую возможность. Соответствующую компьютерную программу (ПО) для 3D-принтера разработали специалисты Института физики металлов им. М. Н. Михеева УРО РАН.

Сначала с помощью ПО создается трехмерная цифровая модель образцов. Ее делят на слои для последующего процесса печати, после чего генерируется специальный код, содержащий все необходимые параметры печати и инструкции для 3D-принтера.

Были напечатаны три вида образцов с разным размером пор и плотностью: с мелкими ячейками около 1 мм и плотностью 0,93 г/см³; со средними — 0,62 г/см³, с крупными (до 5 мм) — 0,31 г/см³. Структура этих пористых образцов с одинаковыми ячейками-сотами называется «трижды периодическая поверхность минимальной энергии типа алмазной поверхности Шварца» (Schwarz Diamond Surface).

«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», — рассказал ведущий научный сотрудник ТНЦ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Зелепугин.

С этой целью научный сотрудник ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Роман Черепанов сконструировал специальный испытательный стенд в составе пневматической винтовки Crossman 2100 classic, устройства для регистрации скорости сферического снаряда (покрытый медью стальной шарик) и кармана, в который помещается испытуемый образец, позволяющий улавливать его осколки и сам шарик.

На стенде ученый провел серию баллистических экспериментов, в ходе которых напечатанные три вида образцов из PLA с ячеистой структурой, имеющие разную плотность, обстреливались шариками со скоростью около 220 и 185 м/с. Кроме образцов с ячеистой структурой, были изготовлены и обстреливались стопроцентно плотные образцы без пустот в структуре.

Все образцы после обстрела были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Результаты показали, что механизм разрушения зависит от плотности образца: ее увеличение изменяло характеристики с вязкого на квазихрупкий.

«Сплошные печатные образцы очень сильно разрушаются — со значительной зоной расслоения материалов, вплоть до трещин, подобно керамике, — пояснил Черепанов. — 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».

Полученные в ходе эксперимента данные позволят оптимизировать печать биоразлагаемых полимерных ячеистых конструкций для авиакосмической и машиностроительной отраслей, способных выдерживать большие ударные нагрузки.

Результаты проведенных баллистических экспериментов исследователи представили в статье «Поглощение энергии удара в 3D-печатных биоподобных структурах PLA» (Impact energy absorption in 3D printed bio-inspired PLAY structures), опубликованной в журнале Polymer.

Ученые ТНЦ СО РАН намерены продолжать баллистические эксперименты с другими широко востребованными в промышленности видами полимеров.