Исследование длительного влияния факторов тропической среды на механические свойства полимерных композиционных материалов
| Авторы: Кротова Е.В., Дао Киен Куонг, Кузнецов М.Е., Шакирзянов Ф.Р., Харин Н.В., Митряйкин В.И. | Опубликовано: 17.01.2026 |
| Опубликовано в выпуске: #1(790)/2026 | |
| Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела | |
| Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, углепластик, тропический климат, деградация материала, механические свойства, ультрафиолетовое излучение |
Изучена деградация полимерных композиционных материалов, изготовленных методом неавтоклавного формования, в условиях тропического климата в трех регионах Вьетнама (Ханой, Хошимин и Нячанг). Образцы подвергали экспозиции в течение трех лет в каждом регионе, после чего проводили механические испытания (на растяжение и сжатие) и микроскопический анализ. Контрольные образцы испытывали до экспозиции. Для обработки полученных данных использованы статистический анализ и метод главных компонент. По полученным результатам выявлено значительное ухудшение механических свойств образцов: их прочность на растяжение снизилась до 16,1 %, прочность на сжатие — на 20,4 %, а модуль упругости при растяжении увеличился на 11,7 %. Показано, что компоненты солнечной радиации являются основными факторами деградации, дополняемыми влагой. Так, УФ-А снижает прочность при растяжении образца, а УФ-В влияет на модуль упругости. Микроскопия выявила обесцвечивание матрицы, микротрещины и депигментацию волокон, особенно в прибрежных районах и районах с высоким уровнем УФ-А. Сравнительный анализ с данными предыдущих исследований подтвердил синергизм УФ-А и влажности в ускорении гигротермической деградации, но выявил уникальные тенденции изменения модуля упругости, обусловленные кинетикой отверждения конкретного материала. Полученные результаты подчеркивают уязвимость неавтоклавных полимерных композиционных материалов к тропическому климату и свидетельствуют в пользу использования стойких к ультрафиолетовому излучению покрытий или модификации матрицы для повышения долговечности.
EDN: LWPMYZ, https://elibrary/lwpmyz
Литература
[1] Zhang Z., Gao H., Wen S. et al. Scalable manufacturing of mechanical robust bioinspired ceramic–resin composites with locally tunable heterogeneous structures. Adv. Mater., 2023, vol. 35, no. 14, art. 2209510, doi: https://doi.org/10.1002/adma.202209510
[2] Vinod A., Tengsuthiwat J., Vijay R. et al. Advancing Additive manufacturing: 3d-printing of hybrid natural fiber sandwich (Nona/Soy-PLA) composites through filament extrusion and its effect on thermomechanical properties. Polym. Compos., 2024, vol. 45, no. 9, pp. 7767–7789, doi: https://doi.org/10.1002/pc.28302
[3] Simões S. High-performance advanced composites in multifunctional material design: state of the art, challenges, and future directions. Materials, 2024, vol. 17, no. 23, art. 5997, doi: https://doi.org/10.3390/ma17235997
[4] McGurk M., Stodieck O., Yuan, J. Probabilistic aeroelastic analysis of high-fidelity composite aircraft wing with manufacturing variability. Compos. Struct., 2024, vol. 329, art. 117794, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117794
[5] Biswas P., Mondal M.K. Evaluation of a cast AL-MG2SI composite for automobile Disk-Brake rotor application. JMEP, 2024, vol. 33, no. 2, pp. 11188–11213, doi: https://doi.org/10.1007/s11665-023-08760-1
[6] Naito M., Kitamura H., Koike M. et al. Applicability of composite materials for space radiation shielding of spacecraft. Life Sci. Space Res., 2021, vol. 31, pp. 71–79, doi: https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.08.004
[7] Trzepieciński T., Batu T., Kibrete F. et al. Application of composite materials for energy generation devices. J. Compos. Sci., 2023, vol. 7, no. 2, art. 55, doi: https://doi.org/10.3390/jcs7020055
[8] Waqar M., Memon A.M., Sabih M. et al. Composite pipelines: analyzing defects and advancements in non-destructive testing techniques. Eng. Fail. Anal., 2024, vol. 157, art. 107914, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107914
[9] Czech K., Oliwa R., Krajewski D. et al. Hybrid polymer composites used in the arms industry: a review. Materials, 2021, vol. 14, no. 11, art. 3047, doi: https://doi.org/10.3390/ma14113047
[10] Kharin N., Bolshakov P., Kuchumov A.G. Numerical and experimental study of a lattice structure for orthopedic applications. Materials, 2023, vol. 16, no. 2, art. 744, doi: https://doi.org/10.3390/ma16020744
[11] Bolshakov P., Kuchumov A.G., Kharin N. et al. Method of computational design for additive manufacturing of hip endoprosthesis based on basic-cell concept. Int. J. Numer. Method Biomed. Eng. 2024, vol. 40, no. 3, art. e3802, doi: https://doi.org/10.1002/cnm.3802
[12] Mobarak M.H., Islam Md.A., Hossain N. et al. Recent advances of additive manufacturing in implant fabrication — a review. Appl. Surf. Sci. Adv., 2023, vol. 18, art. 100462, doi: https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2023.100462
[13] Tuvayanond W., Prasittisopin L. Design for manufacture and assembly of digital fabrication and additive manufacturing in construction: a review. Buildings, 2023, vol. 13, no. 2, art. 429, doi: https://doi.org/10.3390/buildings13020429
[14] Ghimire R., Raji A. Use of artificial intelligence in design, development, additive manufacturing, and certification of multifunctional composites for aircraft, drones, and spacecraft. Appl. Sci., 2024, vol. 14, no. 3, art. 1187, doi: https://doi.org/10.3390/app14031187
[15] Akifyev K.N., Kharin N.V., Statsenko E.O. et al. Pilot study of lattice endoprosthesis buckling by compressionin-situ using X-ray tomography. Russ. J. Biomech., 2023, vol. 27, no. 4, pp. 32–39, doi: https://doi.org/10.15593/RJBiomech/2023.4.03
[16] Hudson T.B., Follis P.J., Pinakidis J.J. et al. Porosity detection and localization during composite cure inside an autoclave using ultrasonic inspection. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 147, art. 106337, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106337
[17] Addou F.Y., Bourada F., Tounsi A. et al. Effect of porosity distribution on flexural and free vibrational behaviors of laminated composite shell using a novel sinusoidal HSDT. Archiv. Civ. Mech. Eng, 2024, vol. 24, no. 2, art. 102, doi: https://doi.org/10.1007/s43452-024-00894-w
[18] Kharin N.V., Gerasimov O.V., Bolshakov P.V. et al. Technique for determining the orthotropic properties of the bone organ according to computer tomography. Russ. J. Biomech., 2019, vol. 23, no. 3, pp. 395–402, doi: https://doi.org/10.15593/RJBiomech/2019.3.11
[19] Akifyev K.N., Statsenko E.O., Smirnova V.V. et al. Method for studying the porosity of fluid phase samples by X-ray computed tomography under uniaxial compression. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 2, pp. 11–21, doi: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.2.02
[20] Bolshakov P., Kharin N., Kashapov R. et al. Structural design method for constructions: simulation, manufacturing and experiment. Materials, 2021, vol. 14, no. 20, art. 6064, doi: https://doi.org/10.3390/ma14206064
[21] Bolshakov P., Kharin N., Agathonov A. et al. Extension of the Voronoi diagram algorithm to orthotropic space for material structural design. Biomimetics, 2024, vol. 9, no. 3, art. 185, doi: https://doi.org/10.3390/biomimetics9030185
[22] Garipova L.I., Batrakov A.S., Khabibullin F.F. Mechanical characteristics of a product manufactured by the FDM printing. Russ. Aeronaut., 2024, vol. 67, no. 1, pp. 145–150, doi: https://doi.org/10.3103/S1068799824010173
[23] Muzata T.S., Gebrekrstos A., Orasugh J.T. et al. An overview of recent advances in polymer composites with improved UV?shielding properties. J. Appl. Polym. Sci., 2023, vol. 140, no. 14, art. e53693, doi: https://doi.org/10.1002/app.53693
[24] Harle S.M. Durability and long-term performance of fiber reinforced polymer (FRP) composites: a review. Structures, 2024, vol. 60, art. 105881, doi: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.105881
[25] Naveen R., Kumar M., Ramesh M. et al. An investigation on effect of ultraviolet (UV) rays on mechanical properties of epoxy laminates. Mater. Today Proc., 2023, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.06.257
[26] Kumar B.G., Singh R.P., Nakamura T. Degradation of carbon fiber-reinforced epoxy composites by ultraviolet radiation and condensation. J. Compos. Mater., 2002, vol. 36, no. 24, pp. 2713–2733. https://doi.org/10.1177/002199802761675511
[27] Vedrtnam A., Gunwant D., Verma H. et al. Effect of aging and UV exposure on mechanical properties of natural fiber composites. In: Aging effects on natural fiber-reinforced polymer composites. Springer, 2022, pp. 189–217, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-16-8360-2_11
[28] Afshar A., Alkhader M., Korach C.S. et al. Effect of long-term exposure to marine environments on the flexural properties of carbon fiber vinylester composites. Compos. Struct., 2015, vol. 126, pp. 72–77, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.02.008
[29] Pavlenko V.I., Zabolotny V.T., Cherkashina N.I. et al. Effect of vacuum ultraviolet on the surface properties of high-filled polymer composites. Inorg. Mater. Appl. Res., 2014, vol. 5, no. 3, pp. 219–223, doi: http://dx.doi.org/10.1134/S2075113314030137
[30] Lu T., Solis-Ramos E., Yi Y. et al. UV degradation model for polymers and polymer matrix composites. Polym. Degrad. Stabil., 2018, vol. 154, pp. 203–210, doi: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.06.004
[31] Cerbu C., Wang H., Botis M.F. et al. Temperature effects on the mechanical properties of hybrid composites reinforced with vegetable and glass fibers. Mech. Mater., 2020, vol. 149, art. 103538, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2020.103538
[32] Yimyai T., Crespy D., Pena?Francesch A. Self?healing photochromic elastomer composites for wearable UV?sensors. Adv. Funct. Mater., 2023, vol. 33, no. 20, art. 2213717, doi: https://doi.org/10.1002/adfm.202213717
[33] Sun Y., Yuan S., Fan W. et al. A smart composite coating with photothermal response, anti-uv and anti-corrosion properties. Chem. Eng. J., 2022, vol. 452-1, art. 138983, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138983