Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» впервые предложили бесконтактный метод контроля внутренних напряжений в полимерных композитах, с помощью которого можно предсказывать появление дефектов, а не только диагностировать их. Метод поможет намного проще и дешевле оценивать повреждения композитных конструкций: например, деталей авиатехники или корабельных корпусов. Работа опубликована в «Journal of Alloys and Compounds».
Композиты сегодня особенно часто используются в транспортной сфере. Для того, чтобы оценить качество и долговечность материала важна оценка внутренних напряжений всей конструкции, – как на стадии ее изготовления, так и при использовании. Существуют композиты, где внутреннее напряжение после изготовления достигают 95% от предела прочности, – то есть, ещё немного напряжения – и материал просто треснет.
В углепластиках, стеклопластиках, гибридных композитах нет такого уровня внутренних напряжений после изготовления, но они все равно накапливаются под действием эксплуатационных нагрузок, внешней среды и погодных факторов. Это приводит к повреждениям материала и снижению его несущей способности.
«Методы контроля напряжений в композитных конструкциях зачастую неудобны, – поясняет старший научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» Андрей Степашкин. – Например, неконтактные методы (ультразвуковая, акустическая дефектоскопия) позволяют выявлять только уже появившиеся дефекты и не дают информации ни о действующих в материале напряжениях, ни об их распределении по телу конструкции. А традиционные методы оценки напряжений являются контактными и требуют подключения к материалу при помощи наклейки. Получается, что стадия до появления дефекта бесконтактными методами почти не охвачена. Поэтому мы вынуждены были разработать новый способ».
Идея ученых НИТУ «МИСиС» – в оценке напряжений с помощью аморфных магнитомягких микропроводов, которые еще на стадии изготовления закладываются между слоями углепластика и образуют чувствительную к напряжениям сетку.
Напряженное состояние в материале, окружающем микропровод, влияет на то, как вещество в проводе реагирует на внешнее магнитное поле. Соответственно, измерения можно проводить бесконтактно, без подключения чувствительного элемента: его наклейка не требуется, так как он заложен внутрь материала на необходимую глубину еще на стадии изготовления.
Авторы отмечают и возможность пользоваться всего одним датчиком – в отличие от распространенных методов дефектоскопии, требующих размещения аппаратуры по обе стороны изучаемой детали. То есть, данная технология существенно упрощает, ускоряет и удешевляет процесс оценки состояния композита, позволяя не только фиксировать, но и предсказывать появление дефектов бесконтактным способом.
На данный момент исследователи отработали различные режимы измерения и сам способ внедрения проводов в композит, убедившись, что свойства материала от этого не ухудшаются.
Методику НИТУ «МИСиС» уже оценили по достоинству несколько представителей космической и авиационной отрасли, а также разработчики композитных материалов. По словам Андрея Степашкина, теперь коллективу предстоит «выйти из лаборатории» и разработать на основе лабораторного прибора прототип датчика и измерительной системы.
«Мы сделали только первый шаг, но уже видим конкретное применение нашей разработке», – подчеркнул ученый. – Есть у нее и дополнительные возможности: внедряемая в материал сетка из микропроводов может обеспечивать «сток» статического заряда в конструкциях из стеклопластиков. То есть, наши провода вполне могут заменить металлические сетки, которые вставляются в эти материалы сейчас».
Подпишись: