Наноструктура укрепляет, устраняет лед и контролирует крылья самолетов, лопасти ветряных турбин и мосты.
Наноструктурный датчик, в разработке и испытаниях которого принимали участие сотрудники Сколтеха, показал перспективность улучшения конструкционных деталей из полимерных композиционных материалов, армированных стекловолокном: крыльев самолетов, лопастей ветряных турбин, пролетов мостов, кузовов автомобилей, корпусов лодок и т. д. встраивается в конструкцию без необходимости отверждения в автоклаве.
Изготовленный из углеродных нанотрубок, он выделяет тепло под действием электрического тока; при внедрении он не влияет на толщину композита, не ухудшает другие характеристики и не создает нежелательных пор. Он может служить датчиком для контроля состояния конструкции или нагревателем для защиты от обледенения.
Последнее особенно важно для судостроения и малой авиации, где стеклопластиковые конструкции в избытке, особенно в рамках программы освоения арктических земель. Исследование было опубликовано в Polymers .
«Результаты нашего исследования замечательны по нескольким причинам, — прокомментировал один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Сколтеха Сергей Абаимов.
«Во-первых, композит наделен дополнительной функциональностью: подавая электрический ток на слой углеродных нанотрубок и контролируя сигнал, можно отслеживать ухудшение структуры и предотвращать катастрофу, предвидя поломку. Электричество также можно использовать. для нагрева, например, для размораживания крыла самолета или лопасти ветряка Во-вторых, нагрев может быть использован для изготовления этого материала, в первую очередь, для «самоотверждения» полимерного композита без использования автоклава, что дорого и энергоемко».
«Кроме того, и именно об этом статья в журнале «Полимеры», мы также решаем проблему, от которой страдают материалы со встроенной микроструктурой в целом: неблагоприятное влияние заделки на свойства композита», — ведущий автор исследования, Сколтех Степан Ломов, добавлен.
«Можно было бы ожидать, что когда мы внедряем углеродные нанотрубки — или вообще что угодно — в композит, нам приходится мириться с увеличением толщины и дополнительными дефектами в виде пор или искаженной ориентации волокон. Но, что удивительно, в итоге мы получаем неизменную толщину. , без дополнительной пористости, а механические свойства улучшаются, а не ухудшаются».
Полимерные композиционные материалы, армированные стекловолокном, используются в самолетах, кораблях, мостах, автомобилях, спортивном оборудовании и в других местах. Они производятся путем отверждения нескольких слоев стекловолокна, пропитанных эпоксидной смолой. Для производства высококачественного композита вся композитная деталь — которая может быть огромной, например, в авиационной технике — отверждается в камере высокого давления и температуры, называемой автоклавом.
Только крупные компании могут позволить себе автоклав, достаточно большой для производства крупных деталей с использованием этой технологии, а затраты на электроэнергию и воздействие на окружающую среду также вызывают озабоченность, поскольку каждый раз на нагрев всего объема камеры расходуется много энергии, независимо от фактического размер и форма отверждаемой композитной детали.
«Однако, если вы встроите углеродные нанотрубки между соседними слоями композита, вы можете подать электрический ток и очень эффективно передать тепло в материал, не тратя энергию на нагрев всего объема автоклава. Это может сохранить около 99% тепла. власти», — сказал Абаимов.
Для сравнения характеристик материалов команда изготовила полимерный композит как без встроенной структуры углеродных нанотрубок, так и с ней. Измерения не выявили ни увеличения толщины, ни нежелательного образования пор, ни смещения волокон.
Исследователи объяснили это с точки зрения чрезвычайно высокой нанокапиллярности нанотрубок, свойства, которое заставляет их «высасывать» поры из эпоксидной смолы, что в противном случае отрицательно повлияло бы на характеристики композита, создавая давление, которое заставляет слои стекловолокна склеиваться. прочно вместе.
Исследование, о котором сообщается в этой статье, относится к области исследований, которую сами авторы называют «многофункциональным синтезом для улучшения жизненного цикла материалов с помощью наноинженерии передовых композитных структур».
Другими словами, предлагаемая наноструктура улучшает свойства материала и наделяет его множественными функциями — в данном случае мониторингом состояния конструкции и защитой от обледенения, — а также играет активную роль на различных этапах жизненного цикла продукта, начиная с его изготовление, когда слой проводящих углеродных нанотрубок обеспечивает внеавтоклавное отверждение композита.
Совместно со Сколтехом Ph.D. Студент Алексей Шиверский, Сергей Абаимов создали в институте уникальный реактор для изготовления нанокомпозитных конструкций. «Документ, который мы опубликовали на этот раз, — лишь первый шаг на пути к реализации широкого спектра функций, которые, как мы заявляем, существуют», — пояснил Абаимов. «Далее нам нужно приступить к работе и добиться результатов для всех заявленных функций, которые должны представлять интерес за пределами лаборатории, в соответствующих отраслях».
