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 её изготовления, так и при использовании.
«Учёные из Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Сергея Калошкина предложили бесконтактный метод контроля внутренних напряжений в полимерных композитах, — сообщает 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 чёрной обшивки корабля), при изготовлении в брак уходило пятьдесят».
В углепластиках, стеклопластиках, гибридных композиционных материалах сразу после изготовления нет такого уровня внутренних напряжений. Но 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. Но они неудобны, а иногда вовсе неприменимы из-за невысокой 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 напряжённого состояния в конструкции являются контактными и требуют подключения к материалу при помощи наклейки различных плёночных датчиков. Так что стадия «до появления дефекта» бесконтактными методами практически не охвачена.
Идея, которая заложена в работе, заключается в использовании для оценки напряжённого состояния в композиционном материале аморфных магнитомягких микропроводов диаметром 10-60 мкм. Провода на стадии изготовления закладываются между слоями углепластика, образуя чувствительную к напряжениям сетку.
Напряжённое 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 к чувствительному элементу, не требуется его наклейка, так как он заложен внутрь материала на необходимую глубину на стадии изготовления. Важно также то, что можно пользоваться всего одним датчиком, в отличие от некоторых применяемых методов дефектоскопии, для проведения которых необходимо установить 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 учёных уже на данной стадии оценили по достоинству представители 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, 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».
Материал об исследовании опубликован в Journal of Alloys and Compounds.
