Материаловеды НИТУ «МИСиС» проанализировали механизм разрушения сложных материалов
Универсальную методику механических испытаний сложных материалов, которая поможет лучше управлять их состоянием, создали ученые из сборной команды Сколковского Института Науки и Технологии и НИТУ «МИСиС». По словам авторов, их способ поможет выявить места концентрации деформации на уровне микронов и тем самым узнать заранее, где зарождаются трещины, и предложить решения как предотвратить разрушение материала. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Polymers (Basel).
Для контроля состояния нефтесодержащих горных пород, композитов для авиации, жаропрочных сплавов для двигателей и других материалов с иерархической структурой необходимо понимать, как именно в них распространяется деформация. До недавнего времени в материаловедении не было представлено простого и универсального метода анализа деформаций подобных материалов на масштабе микронов, который бы позволял изучить и улучшить их внутреннюю структуру, отметил научный лидер группы Сколтеха, профессор Александр Корсунский.
«С чего начинается разрушение? Всем известно: «рвется там, где тонко»… Так как же знать, где «соломку подстелить»? Где внутри внешне однородного материала образуются эти проблемные места? Как узнать заранее, каким образом зарождаются трещины? Для этого нужно научиться видеть, как по мере деформации материала в нем распределяются напряжения».
Методика механических испытаний, предложенная специалистами университетов, предполагает наблюдение за пошаговой деформацией материала внутри камеры электронного микроскопа и синхронную съемку с разрешением на уровне долей микрона.
В ходе исследования ученые поместили образцы пористого полиэтилена, разработанного в НИТУ «МИСиС», в вакуумную камеру сканирующего электронного микроскопа вместе с миниатюрной машиной для механических испытаний. Полученные с помощью специального программного обеспечения сотни фотографий затем обрабатывались методом корреляции цифровых изображений.
В итоге были получены подробные карты распределения микродеформаций, описывающие изменение концентрации напряжений в различных областях материала. Ученые Сколтеха и НИТУ «МИСиС» обнаружили, что деформация при сжатии материалов происходит не равномерно, а путем образования полос, которые постепенно удлиняются и захватывают весь объем материала.
«С помощью тестов на полиэтилене мы научились строить «живые карты» деформаций внутри сложного пористого материала по мере его нагружения. Анализ этих микродеформаций позволил выявить зоны, где деформации концентрируются при испытании образца, а значит и при работе изделия. Ранее такие узкие зоны предполагались только теоретически», – отметил доцент кафедры Физической химии НИТУ «МИСиС» Алексей Салимон.
Предложенная учеными методика, по их словам, отличается простотой, универсальностью и возможностью быстрого распространения на лаборатории, оснащенные приборами, дающих цифровые изображения с достаточным разрешением.
Исследованный пористый сверхвысокомолекулярный полиэтилен широко применяется в медицине, например, для замены фрагментов костей и хрящей, а также в клеточных технологиях в качестве субстратов клеток. Полученные данные, считают ученые, позволят усовершенствовать технологию его применения.
В дальнейшем коллектив специалистов Сколтеха и НИТУ «МИСиС» намерен работать над развитием микромеханических методов исследования и созданием российской линейки испытательного оборудования и ПО для изучения сложных, иерархически структурированных материалов.