Учёными предложена наноструктура, греющая, управляющая и упрочняющая крыло самолёта, лопасть ветряка, пролёт моста
Учёные исследовали и разработали наноразмерный датчик. Этот датчик можно внедрить в композитное крыло самолёта, лопасть ветряка, пролёт моста, кузов автомобиля, днище яхты, а также любую конструкцию из стекловолоконных полимерных композиционных материалов без запекания её в автоклаве. Датчик сам разогревается до нужной температуры путём подведения тока, не увеличивает толщину конструкции и не нарушает свойств композиционного материала. К тому же он устраняет нежелательные поры. Исследования опубликованы в журнале Polymers.
Использование такого датчика возможно для мониторинга целостности конструкции или для борьбы с обледенением путём нагрева, что очень важно для кораблестроения и малой авиации, где применяются стеклопластики, в программе освоения Арктики.
Сергей АбаимовОдин из руководителей исследования, ведущий научный сотрудник Сколтеха
«Нам удалось добиться замечательного результата. Во-первых, композит приобретает ценную функциональность: подводя к слою нанотрубок ток, можно мониторить по изменению сигнала износ детали для предотвращения аварии. Или нагревать деталь в процессе эксплуатации, чтобы, например, убрать лёд с крыла самолёта или лопасти ветряка. Во-вторых, изготавливать такое крыло можно по тому же принципу, нагревая и спека́я полимерный композит пропусканием тока, без автоклава, который дорог и неэффективно расходует электроэнергию».
Полимерные композиционные материалы, из которых изготавливают детали самолётов, кораблей, мостов, автомобилей, спортивное снаряжение и многое другое, получают спеканием слоёв стекловолокна, пропитанных эпоксидной смолой. И вся деталь, например, в случае авиастроения, имеет внушительный размер и помещается для запекания в автоклав, а аткой автоклав для изготовления деталей большого размера могут себе позволить только крупные компании.
По словам одного из руководителей исследования, ведущего научный сотрудник Сколтеха Сергея Абаимова, если между соседними слоями композита проложить углеродные нанотрубки, то можно подать на них электрический ток и таким образом спечь материал прицельным нагревом вместо достижения нужной температуры во всей камере автоклава. За счёт этого можно сэкономить до 99% электроэнергии. Для сравнения авторы исследования изготовили полимерный композит без добавления структуры из углеродных нанотрубок, а потом такой же материал с ней. После этого они убедились, что увеличения толщины и нарушения направления волокон не происходит, нежелательные поры не появляются. Исследователи связывают это с крайне высокой капиллярностью нанотрубок, при которой вредные для свойств материала поры исчезают из эпоксидной смолы и возникает давление, прочно слепляющее слои композита друг с другом.
Как заявил соавтор работы, исследователь из Сколтеха Степан Ломов, это исследование, опубликованное в Polymers, посвящено избавлению от проблемы, неизбежной при использовании микроразмерных датчиков, а именно их негативного влияния на свойства композита. Парадоксальным образом, внедряя в полимерный композит нечто — углеродные нанотрубки исследователи нисколько не делают материал толще и не вносят дефекты в виде пор и нарушения расположения волокон. От этого механические свойства не страдают, а только улучшаются.
Как заявляют разработчики, предложенная наноструктура улучшает свойства материала, придаёт изготовленной из него детали дополнительную множественную функциональность (в частности, мониторинг целостности и противообледенительный подогрев) и играет роль на разных стадиях жизненного цикла изделия, вплоть до этапа производства, когда электропроводный нанотрубочный слой может использоваться для нагрева при спекании композита.
