Иерархический дизайн композитов на основе суперконструкционных термопластов
Автор: Сергей Викторович Панин
Организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск
Рис. Методология разработки полимерных композиционных материалов с новыми (улучшенными) свойствами
Проблема создания материалов с заранее заданными свойствами всегда являлась актуальной задачей. Полимерные композиционные материалы по определению являются материалами, для которых характерна сложная многоуровневая структура. Так, армирующие включения, независимо от их геометрии (волокнистые или дисперсные наполнители различной формы и размеров) и расположения, определяют верхний масштаб гетерогенности. На меньших пространственных масштабах проводится учет межфазных слоев на контакте матрицы и включений. Неоднородность полимерной матрицы также определяется ее кристаллическим/аморфным строением. Учет данных особенностей строения материалов на разных масштабах привел к введению понятия о многоуровневости структуры, и, соответственно, деформационного поведения [1].
При анализе физико-механических свойств композитов возникает два класса задач. Задачи моделирования, когда заданы свойства и геометрия расположения фаз, характер их взаимодействия (управляющие параметры); определению подлежат эффективные свойства [2]. В последнее время для расчета эффективных свойств интенсивно используются численные методы. Они основаны на вариационных принципах с последующим осреднением свойств по репрезентативному объему различными способами. Задачи конструирования в известном смысле обратны по отношению к задачам моделирования – эффективные свойства заданы, определить нужно набор управляющих параметров, придающих эти свойства материалу.
Обсуждаются экспериментально-теоретические основы разработки полимерных композиционных материалов (ПКМ) с улучшенными/новыми свойствами, а также подходы и результаты их компьютерного дизайна (проектирования). С использованием развитого подхода проведено экспериментально-теоретическое исследование ПКМ на основе суперконструкционных термопластов (СКТП). Решались задачи численного моделирования и анализа деформационного поведения с явным и неявным учетом структуры следующих типов композитов: а) волоконно-армированные антифрикционные; б) слоистые (ламинаты); в) дисперсно-наполненные с повышенным сопротивлением усталости; г) сегментированные, получаемые методом 3D-печати; д) неразъемные соединения, формируемые методом УЗ-сварки. Рассмотрены примеры практического использования результатов исследований в части компьютерного дизайна и контроля состояния ПКМ.
Предложен, иллюстрируется и обсуждается иерархический подход к разработке композитов на основе суперконструкционных термопластов (СКТП).
1. Sergey V. Panin, Boris A. Lyukshin, Nataliya Y. Grishaeva, Svetlana A. Bochkareva, Iliya L. Panov¶. Computer-aided Design of Polymer-based Composites Using Multiscale Models. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2024. Vol. 17. Iss. 1. P. 65-74.
2. Панин С.В., Люкшин Б.А., Бочкарева С.А. Проблемы, практика и перспективы компьютерного конструирования новых композиционных материалов. ПМТФ, 2020, Т.61, №5, С. 168-174.
