Ny metode til at måle interne spændinger til rumfart og flyteknik

Kompositmaterialer er blevet integreret i industrien, bruges i luftfarts- og rumteknologier, samt bilproduktion og minedrift. Imidlertid, intern stressvurdering med kompositmaterialedesign har længe været udfordrende. Forskere fra NUST MISIS Center of Composite Materials, ledet af professor Sergey Kalosjkin, har nu foreslået en berøringsfri metode til intern spændingskontrol i polymerkompositter. Forskerne rapporterer, at det nu er muligt mere effektivt at vurdere graden af ​​indre skader under driften af ​​flydele, olierørledninger, skibsskrog, og andre industri- og transportfaciliteter.

Andrey Stepashkin, Kandidat for tekniske videnskaber og seniorforsker ved NUST MISIS Center of Composite Materials, diskuteret, hvorfor vurderingsproblemet er så kritisk:"Der er kompositmaterialer, hvor den indre spænding når 95 procent af trækstyrken efter fremstillingen. Det vil revne, hvis vi tilføjer endnu lidt mere tryk. F.eks. en række kompositmaterialer, behandler fremragende varme- og termisk modstand og skabt til Buran-rumfartøjet, havde et højt niveau af indre spændinger på grund af egenskaberne ved deres fremstilling. Dette er blevet et kæmpe problem. For at få et fungerende stykke sort belægning, 50 stykker skulle smides ud."

Der er ikke et sådant niveau af intern stress i kulstofplast, glasfiber, eller hybride kompositmaterialer efter fremstilling. I stedet, spændinger opstår og akkumuleres under påvirkning af driftsbelastninger, det ydre miljø og vejret, hvilket kan føre til skader i materialet og reducere dets bæreevne. Sådanne ændringer påvirker driftssikkerheden og skal identificeres rettidigt.

Der er metoder til at kontrollere spændinger i kompositkonstruktioner, men de er ofte ubelejlige, og nogle gange er de ikke acceptable på grund af prognosenøjagtighed. For eksempel, ikke-kontakt metoder (ultralyd, registrering af akustiske fejl, shearography) giver forskere mulighed for at opdage defekter, der allerede er opstået, og giver ikke information om spændingen i materialet eller om deres fordeling i hele strukturen. De accepterede metoder til vurdering af spændingstilstanden i en ramme kræver alle kontakt og forbindelse til materialet ved hjælp af klæbefilmssensorer. Derfor er det i øjeblikket umuligt at opdage noget, før en defekt opstår, med berøringsfri metoder.

Ideen med denne forskning er at bruge amorfe bløde magnetiske kredsløb med en diameter på 10 til 60 mikron til at vurdere spændingstilstanden i kompositmaterialer. Under fremstillingsfasen, ledninger lægges mellem kulfiberlagene, danner et stressfølsomt gitter.

Spændingstilstanden omkring mikrotråden påvirker, hvordan stoffet reagerer på eksterne magnetfelter. Derfor, disse målinger kan udføres uden kontakt, en forbindelse til sanseelementet, eller selvklæbende sensorer - detektionssystemet er indlejret i materialet under fremstillingsfasen. Det er også vigtigt, at forskere kun skal bruge én sensor, i modsætning til nogle metoder til fejldetektion, der kræver, at udstyret eksponeres på begge sider. Denne teknologi forenkler markant, hastigheder op, og reducerer omkostningerne ved at vurdere tilstanden af ​​kompositmaterialer ved at gøre reparationer nemmere og tillade mere præcise forudsigelser om fremtidige defekter, alt sammen på en kontaktløs måde.

Forskerne har udarbejdet, hvordan man indfører bløde magnetiske ledninger i kompositmaterialet, og hvordan man sikrer sig, at kompositmaterialets egenskaber herfra ikke forringes. Ligeledes, de har også mestret forskellige måletilstande. Flere repræsentanter for luftfarts- og rumindustrien, samt udviklere af kompositmaterialer, har rost denne nye metode. Ifølge Andrey Stepashkin, forskere vil nu udvikle en feltprototype og målesystemer baseret på laboratorieudstyr.

"Vi har taget det første skridt på en lang rejse. Men vi ser allerede en praktisk anvendelse af vores udvikling. Derudover det har flere funktioner - det mikrotrådsnet, der indføres i materialet, kan give et ekstra dræn af den statiske ladning, der opstår i glasfiberstrukturer. Vores ledninger er ganske i stand til at erstatte metalgitre, som nu er indsat i disse materialer, " han tilføjede.

Forskningsarbejdet er publiceret i Journal of Alloys and Compounds .