Согласно данным новых исследований, добавление даже небольшого количества углеродных нанотрубок может намного повысить прочность, целостность и безопасность конструкционных пластиков.

НАНОТРУБКИ ПРОТИВ ТРЕЩИН

Исследователи Ренсселерского Политехнического Института разработали новую простую технологию для выявления и устранения небольших и потенциально опасных трещин в высокопроизводительных крыльях самолетов и многих других структурах, произведенных из полимерных композитов.

За счет введения полимера с электропроводными углеродными нанотрубками и последующего мониторинга электрического сопротивления структуры, исследователи смогли установить место образования и определить длину возникших из-за напряжения трещин в композитных структурах. После того, как местонахождение трещины обнаружено, инженеры могут посылать короткий электрический разряд в эту область для нагревания углеродных нанотрубок и последующего плавления встроенного вещества для затягивания поверхностного повреждения; вещество затекает в трещину и герметизирует ее с 70-процентным восстановлением прочности.

Профессор Нихил Кораткар разработал новый метод использования углеродных нанотрубок для обнаружения и устранения небольших трещин в практически любой полимерной структуре. На этом снимке изображены углеродные нанотрубки со случайным диспергированием в эпоксидной смоле, из которой можно формовать различные структуры.

По мнению главного исследователя, Нихила А Кораткара, доцента Ренсселерского отделения механического, авиационно-космического и ядерного инжиниринга, обнаружение в режиме реального времени и устранение повреждений, возникающих из-за усталости материала, позволит значительно повысить эксплуатационные характеристики, надежность и безопасность структурных компонентов целого ряда инженерных систем.

По словам Кораткара, большинство отказов любых инженерных конструкций происходит из-за образования микротрещин из-за усталости материала, которые увеличиваются до опасных размеров и со временем начинают представлять угрозу целостности конструкции. Целью его исследования является решение этой проблемы за счет элегантного способа, позволяющего осуществлять в реальном времени диагностику без использования какого-либо дополнительного или дорогостоящего оборудования.

Коллектив Кораткара изготовил структуру из обычного эпоксидного материала, того типа, который используется для изготовления всего на свете от легких каркасов крыльев реактивных самолетов до бесчисленных устройств и компонентов, используемых на производстве и в промышленности, но они добавили достаточное количество многостенных углеродных нанотрубок, составляющее 1 процент от массы структуры. Исследователи механически смешивали жидкий эпоксидный материал, чтобы обеспечит равномерное диспергирование углеродных нанотрубок по всей структуре, в то время, как она подвергалась высушиванию в форме.

Исследователи также ввели в структуру серию проводов для образования сети, которую можно использовать для измерения сопротивления и приложения контрольного напряжения к структуре.
За счет пропускания небольшого количества электричества через углеродные нанотрубки, ученые смогли измерить электрическое сопротивление между двумя точками сети. Затем они создавали небольшую трещинку в структуре и измерили электрическое сопротивление между двумя ближайшими точками сети. Поскольку электрическому току теперь было необходимо огибать трещину для того, чтобы добраться из одной точки в другую, электрическое сопротивление (т. е. те трудности, с которыми сталкивается электричество при перемещении из одного места в другое) возросло. Чем длиннее становилась трещина, тем выше было электрическое сопротивление между двумя точками.

Кораткар уверен, что данный метод так же эффективен и с более крупными структурами. Поскольку нанотрубки повсеместно распространены внутри структуры, эту технологию можно использовать для мониторинга любой части структуры за счет осуществления простых измерений напряжения без необходимости монтировать внешние датчики или сложные электронные устройства.

"Красота этого метода заключается в том, что углеродные нанотрубки располагаются везде. Датчики, в сущности, являются неотъемлемой частью структуры, которая позволяет Вам осуществлять мониторинг любой части структуры", – говорит Кораткар. "Мы показали, что при творческом применении наноразмерная наука может очень многое значить при работе с крупномасштабными конструкциями и структурами".

Короткар говорит, что новый метод обнаружения трещин может быть более рентабельным и удобным, чем повсеместно применяемый в настоящее время метод с использованием ультразвуковых датчиков. Эта сенсорная система также может использоваться в режиме реального времени, когда устройство или компонент находятся в эксплуатации, в то время как ультразвуковые датчики являются устройствами, которые монтируются снаружи, и нуждаются в большом сроке для проведения сканирования всей площади поверхности стационарной структуры.

Кроме того, у системы Кораткара имеется встроенной устройство для устранения неисправности.

После того, как трещина обнаружена, Кораткар может повышать напряжение, проходящее через углеродные нанотрубки в определенных точках сети. Такое избыточное напряжение создает тепло, которое, в свою очередь, расправляет имеющееся вещество для затягивания поверхностного повреждения эпоксидным веществом, это расплавленное вещество затекает в трещину и остывает там, вызывая эффективное отверждение в трещине. Кораткар показывает, что такие отремонтированные структуры имеют прочность примерно в 70 процентов от прочности исходного материала структуры, в которой не было трещины, а это достаточного прочно для того, чтобы предотвратить полный или катастрофический отказ структуры. Такой метод является эффективным способом борьбы, как с микротрещинами, так и с менее распространенным видом структурных повреждения, который называется деламинацией.

"Новизна этого применения заключается в том, что мы используем углеродные нанотрубки не просто для того, чтобы обнаружить трещины, но также и для того, чтобы их устранить", - говорит он. "Мы применяем нанотрубки для использования локализованного тепла, которое расплавляет вещество для затягивания трещин, и именно так происходит отверждение трещины".

Кораткар говорит, что он предполагает интеграцию новой системы для обнаружения трещин в компьютерные системы реактивного истребителя или крупного агрегата оборудования. Такая система позволит оператору осуществлять мониторинг целостности структуры в режиме реального времени, и образование любой трещины или деламинации будет выявляться с помощью инициирования изменения электрического сопротивления в определенной точке структуры.

Кораткар утверждает, что система будет способствовать увеличению срока эксплуатации, повышению безопасности и эффективности полимерных структур, которые обычно используются вместо металлических структур, когда масса является существенным фактором. Имеются также подтверждения того, что углеродные нанотрубки играют пассивную роль в снижении скорости, с которой увеличиваются микротрещины в полимерных структурах. Это станет темой работы, которую Кораткар собирается опубликовать в ближайшем будущем.
В настоящее время исследовательский коллектив работает на тем, чтобы оптимизировать систему, изменить ее размерность для применимости к работе с более крупными структурами, и разработать новую информационную технологию для улучшения сбора и анализа данных об электрическом сопротивлении, которое создает встроенная сеть и встроенные углеродные нанотрубки.

Реализуемый проект финансируется частично Национальным научным фондом и
армией США.

www.omnexus.com