Концентрическая структура под перламутр повысила усталостную жизнь композитных стержней более чем в 1000 раз
Ученые свернули структуру «кирпич и раствор» в концентрические цилиндры, устранив плоскости расслоения и создав прототип приводного вала.
Исследователи из Научно-технического университета Китая и Шанхайского университета Цзяотун разработали композитные стержни с концентрической архитектурой «кирпич и раствор», опубликовав результаты 31 октября 2026 года в журнале National Science Review. В цилиндрических стержнях микропластинки оксида алюминия ориентированы по окружности внутри полимерной матрицы, что решает проблему анизотропной слабости плоских аналогов перламутра oup.com
National Science Reviewoup.comОткрыть источник ↗. В испытаниях на циклический изгиб при равном напряжении усталостная долговечность концентрических стержней превысила показатели плоского композита более чем на три порядка (>10³ раз).
Устранение слабых плоскостей
Природный перламутр состоит из жестких минеральных пластинок и тонких органических прослоек, рассеивающих энергию разрушения за счет трения и отклонения трещин. Однако в синтетических слоистых материалах межслойные интерфейсы образуют сплошные слабые плоскости, что приводит к быстрому расслоению при сложных разнонаправленных нагрузках.
Перенос архитектуры в цилиндрический формат с осесимметричным распределением слоев вокруг центральной оси исключил образование единой слабой плоскости. Компьютерное моделирование и механические тесты подтвердили, что концентрическое строение выравнивает распределение напряжений, подавляет полосы сдвига и заставляет развивающиеся трещины двигаться по сложным пространственным траекториям с повышенным поглощением механической энергии.
Метод формования и прототип вала
Для создания стержней сантиметрового диаметра микропластинки глинозема связывали нановолокнами бактериальной целлюлозы в гибкие пленки путем самосборки. Полученные пленки скатывали в цилиндрические заготовки, пропитывали жидкой смолой методом вакуумной инфузии и полимеризовали на месте, получая плотные детали без необходимости последующей механической доработки структуры oup.com
National Science Reviewoup.comОткрыть источник ↗.
Рентгеновская томография показала, что искривленные слои препятствуют объединению микротрещин в одну сплошную магистральную трещину при циклических нагрузках. В качестве демонстратора авторы изготовили из полученного композита рабочий прототип приводного вала и элементы прецизионных конструкций. Сейчас коллектив масштабирует технологию на керамические матрицы и детали больших габаритов.
