ЦИАМ совершенствует методы испытаний композиционных и керамических материалов

Испытания деталей, изготавливаемых на основе новых материалов и технологий, – задача науки и неотъемлемая часть процесса создания авиационной техники будущего. Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») получил сразу два патента на инновации в области методов испытаний композиционных и керамических материалов.

Индукционный нагреватель с промежуточным телом для нагрева объектов исследования (патент на полезную модель № 217425) может быть применен для кратковременных статических, циклических и длительных испытаний образцов из композиционных и керамических материалов. Модель, разработанная специалистами Исследовательского центра ЦИАМ «Динамика, прочность, надежность», значительно расширяет возможности для проведения эксперимента и получения достоверных данных о прочности деталей авиационных двигателей, создаваемых из новейших материалов.

Простое и эффективное решение уже показало себя в испытаниях на статическую прочность при растяжении образцов из композиционных и керамических материалов. Оно представляет собой систему нагрева с использованием между нагревательным элементом и испытуемым образцом промежуточного (косвенного) тела, своего рода «прослойки» специальной конфигурации. Это дает испытателям возможность регулировать скорость и температуру нагрева, а использование промежуточного тела позволяет измерять деформации в рабочей зоне образца и получать необходимые сведения о его нагружении.

Кроме того, благодаря особой конструкции промежуточного тела, ученые получают открытый обзор и прямой доступ к испытуемой детали, прямо в процессе эксперимента могут проводить необходимые замеры. В результате существенно повышается точность расчетов, ведь проводить исследования и снимать параметры «поведения» материала теперь можно при нагреве исследуемой зоны до 1500°С в окислительной среде!

Достоверность измеряемых данных при испытаниях обеспечивается специальным поверенным оборудованием, внесенным в государственный реестр средств измерений.

– Композит – материал многослойный, пока недостаточно изученный и поэтому сложный. Чтобы определить все его характеристики, проводится широкий спектр испытаний, – поясняет начальник сектора ЦИАМ, разработавшего данную модель. – Для разных материалов и в зависимости от поставленной задачи будут выбираться наиболее подходящие методы испытаний и нагрева.

В России и в мире существуют альтернативные методы механических испытаний с использованием нагрева, некоторые из них запатентованы. Однако в применяемых технических решениях есть существенные недостатки, которые могут усложнять эксперимент или ограничивают возможности определения упругих характеристик материала во время испытаний.

Например, у второй разработки ЦИАМ, получившей патент на изобретение № 2794108 «Способ определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов», позволяющей исследовать характеристики слоистого композиционного материала по толщине образца в условиях высокой температуры, тоже есть прототип – уже существующий стандартный метод испытаний, регулируемый ГОСТом 57802-2017 «Композиты керамические. Метод определения предела прочности при растяжении в направлении толщины образца при нормальной температуре». Однако, по сравнению с разработанным в ЦИАМ способом, он имеет ряд ограничений, в том числе при исследованиях при высоких температурах.

Обе запатентованные инновационные разработки ЦИАМ приближают условия испытаний к эксплуатационным и позволяют ученым производить измерения деформаций и предельной нагрузки именно в исследуемой зоне и именно во время эксперимента. Это важно, в первую очередь, потому, что таким образом увеличиваются возможности исследователей при определении параметров процесса, получении прочностных и упругих характеристик новых материалов. Несмотря на то, что свойства «композитов» и «керамики» еще недостаточно изучены, это – материалы настоящего и будущего, которые смогут обеспечить работоспособность элементов горячей части двигателя при более высокой температуре, чем применяемые в настоящее время материалы, при улучшении массогабаритных характеристик.