Слоистые композиты, такие как стекло- и углепластики, давно стали основой для авиации, космонавтики и автопрома. Их ценят за уникальное сочетание лёгкости и прочности, однако у них есть критическая уязвимость – склонность к расслоению. При сильном ударе или изгибе между слоями материала зарождается трещина, которая стремительно разрушает деталь.
В природе композитов с однонаправленными волокнами существует защитный механизм. Часть волокон не рвётся, а перекидывается через трещину, работая как микроскопические амортизирующие тросы. Они растягиваются, трутся о полимерную матрицу и поглощают колоссальное количество энергии. В тканых же материалах, где нити жёстко переплетены, этот эффект почти отсутствует. Узлы переплетения блокируют волокна, не давая им вытягиваться и гасить энергию удара.
Исследователи предложили элегантное решение – создавать искусственные волоконные мостики. Для этого они применили технологию фелтинга, или иглопробивной обработки. С помощью специальной установки, похожей на 3D-принтер, но оснащённой иглой с зазубринами, они многократно прошивали стопку стеклоткани. Зазубрины захватывали отдельные волокна с поверхности и протаскивали их вертикально сквозь толщу материала. Так формировалась внутренняя поперечная «арматура».
Ключевое преимущество подхода – он не утяжеляет конструкцию. Материалом для «нитей» служит сама ткань, поэтому толщина и масса детали не растут. Процесс можно применять точечно, только в зонах, подверженных ударам.
Эксперименты на российской стеклоткани Т-13 с эпоксидной матрицей показали впечатляющие результаты. Энергия, необходимая для зарождения и роста трещин, выросла на 40–44%. Сопротивление изгибу увеличилось на 33%, а площадь повреждений при ударах сократилась на 15% и более. Правда, прочность на растяжение снизилась на 25%, но этот эффект компенсируется локальным применением метода.
Новая технология открывает перспективы для авиастроения, автомобильной промышленности, ветроэнергетики и производства спортивного инвентаря. Исследование, поддержанное Минобрнауки РФ, опубликовано в журнале Polymer Composites.
