Композиционные материалы стали неотъемлемой частью нашей жизни: они используются в авиационной и космической технике, автомобилестроении и горной промышленности. И с самого начала их внедрения существует проблема оценки внутренних напряжений в конструкции, изготовленной из композиционного материала, как на стадии ее изготовления, так и при использовании.
«Ученые из Центра композиционных материалов НИТУ „МИСиС“ под руководством профессора Сергея Калошкина предложили неконтактный метод контроля внутренних напряжений в полимерных композитах, — отметила ректор НИТУ „МИСиС“ Алевтина Черникова. — При помощи нового метода появилась возможность намного эффективнее оценивать степень внутренних повреждений в процессе эксплуатации деталей авиационной техники, нефтепроводов, корабельных корпусов и других промышленных и транспортных объектов».
Почему проблема оценки критически важна, рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» к.т.н. Андрей Степашкин:
«Есть композиционные материалы, где внутреннее напряжение после изготовления достигает 95% от предела прочности. То есть, ему ещё чуть-чуть добавить напряжения — и он треснет. Например, ряд созданных для многоразового космического корабля „Буран“ композиционных материалов, обладая прекрасной термостойкостью и термопрочностью, из-за особенностей технологии их изготовления обладали высоким уровнем внутренних напряжений. Это стало огромной проблемой: чтобы получить одно изделие из материала „Гравимол“ (который использовался для черной обшивки корабля), при изготовлении в брак уходило пятьдесят».
В углепластиках, стеклопластиках, гибридных композиционных материалах после изготовления нет такого уровня внутренних напряжений. Зато они возникают и накапливаются под действием эксплуатационных нагрузок, внешней среды и погодных факторов, что может приводить к появлению повреждений в материале и снижению его несущей способности. Такие изменения влияют на безопасность эксплуатации, и их необходимо своевременно выявлять.
Методы контроля напряжений в композитных конструкциях существуют, однако часто неудобны, а иногда вовсе неприменимы из-за точности прогноза. Например, неконтактные методы (ультразвуковая, акустическая дефектоскопия, шерография) позволяют выявлять только уже появившиеся дефекты и не дают информации ни о действующих в материале напряжениях, ни об их распределении по телу конструкции. А принятые методы оценки напряженного состояния в конструкции являются контактными и требуют подключения к материалу при помощи наклейки различных пленочных датчиков. Так что стадия «до появления дефекта» бесконтактными методами практически не охвачена.
Идея, которая заложена в работе, заключается в использовании для оценки напряженного состояния в композиционном материале аморфных магнитомягких микропроводов диаметром
Напряженное состояние в материале, окружающем микропровод, оказывает влияние на то, как вещество в проводе реагирует на внешнее магнитное поле. Соответственно, эти измерения можно проводить бесконтактно, не требуется подключения чувствительному элементу, не требуется его наклейка, так как он заложен внутрь материала на необходимую глубину еще на стадии изготовления. Важно также то, что можно пользоваться всего одним датчиком в отличие от некоторых применяемых методов дефектоскопии, для проведения которых необходимо выставить аппаратуру по обе стороны изучаемой детали. По сути, 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 способ внедрения магнитомягких проводов в композитный материал, убедились, что свойства композиционного материала от этого не ухудшаются, а также отработали различные режимы измерения.
Методику ученых уже на данной стадии оценили по достоинству несколько представителей космической и авиационной отрасли, а также разработчики композитных материалов. По словам Андрея Степашкина, теперь исследователям предстоит «выйти из лаборатории»: на основе лабораторного прибора разработать «полевой» прототип датчика и измерительной системы.
«Мы сделали только первый шаг большого пути, — подчеркнул ученый. — Но уже видим конкретное практической применение нашей разработки. К тому же, у неё есть и дополнительные возможности: внедряемая в материал сетка из микропроводов может обеспечивать дополнительно сток статического заряда, возникающего в конструкциях из стеклопластиков. Наши провода вполне могут заменить металлические сетки, которые вставляются в эти материалы сейчас».
Работа исследователей опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
