Ученые из России и Великобритании показали, что сложные материалы деформируются не равномерно, а вместо этого в них возникают полосы. Исследование опубликовано в журнале Polymers. Понимание того, как деформируются материалы, очень важно для контроля за состоянием нефтесодержащих горных пород, композитов для авиации, жаропрочных сплавов для двигателей и других объектов с иерархической структурой.

Но в материаловедении до сих пор нет простого и универсального метода, который позволил бы анализировать деформации в подобных материалах в масштабе микронов (10⁻⁶ м), чтобы изучить и улучшить их внутреннюю структуру.

«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», — рассказал научный лидер группы Сколковского института науки и технологий, профессор Александр Корсунский.

Российские ученые из НИТУ «МИСиС» и Сколтеха совместно с коллегами из Батского и Оксфордского университетов проанализировали механизм разрушения сложных материалов. Их метод основан на наблюдении за пошаговой деформацией материала внутри камеры электронного микроскопа и синхронной съемке с разрешением на уровне долей микрона.

Исследователи поместили образцы пористого полиэтилена, активно использующегося в медицине, в вакуумную камеру сканирующего электронного микроскопа вместе с миниатюрной машиной для механических испытаний. С помощью особого программного обеспечения они получили сотни фотографий, которые обработали методом корреляции цифровых изображений.

В результате ученые получили подробные карты распределения микродеформаций, которые позволяют проследить перемены в концентрации напряжений в различных областях материала. Исследователи обнаружили, что при сжатии деформация в материале происходит неравномерно, в нем образуются полосы. Они постепенно удлиняются и через какое-то время 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 один из исследователей, доцент кафедры физической химии НИТУ «МИСиС» Алексей Салимон.

По словам ученых, их методика отличается простотой, универсальностью и возможностью быстрого распространения на лаборатории, которые оснащены приборами, дающими цифровые изображения с достаточным разрешением. Кроме того, результаты исследования могут помочь усовершенствовать технологию применения пористого полиэтилена.

В дальнейшем исследователи собираются работать над развитием микромеханических методов исследования и созданием российской линейки испытательного оборудования и программного обеспечения для изучения сложных, иерархически структурированных материалов.