Инженеры Московского авиационного института (МАИ) создали технологию, позволяющую значительно повысить прочность и долговечность полимерных композитов, применяемых в конструкциях воздушных судов. Добавление в материал углеродных нанотрубок — полых цилиндров длиной до нескольких десятков микрометров — увеличило устойчивость деталей к повторяющимся нагрузкам в три раза, сообщили в пресс-службе вуза.
Ключевая особенность разработки заключается в минимальной концентрации добавляемых нанотрубок — всего 0,05% от общей массы материала. Автор проекта, инженер научно-исследовательского отдела кафедры «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Сергей Ковтунов подчеркнул, что такое содержание позволяет минимизировать дополнительные затраты на производство, при этом практически не влияя на вес готового изделия.
Механизм работы нанотрубок в композите
Нанотрубки выполняют функцию барьера для распространения трещин. В процессе изготовления композита их смешивают со связующим веществом — специальным клеевым составом на основе эпоксидных смол, армированных углеродными волокнами. Важно отметить, что нанотрубки обладают уникальными механическими характеристиками: они в тысячу раз жестче эпоксидной смолы и в сто раз прочнее углеродного волокна.
Когда в материале образуется трещина, она либо вынуждена обходить нанотрубку, увеличивая свою траекторию, либо полностью останавливается, не имея возможности преодолеть препятствие. Такой механизм существенно продлевает ресурс конструкции и повышает её надёжность в условиях циклических нагрузок.
Технология равномерного распределения наноматериала
Основная сложность при работе с углеродными нанотрубками — их склонность к образованию комков, что снижает эффективность применения. Специалисты МАИ разработали двухэтапный процесс смешивания, позволяющий решить эту проблему.
На первом этапе в специальной ванне генерируются ультразвуковые волны, создающие микроскопические вихри. Эти вихри разрушают формирующиеся комки и обеспечивают равномерное распределение нанотрубок в смоле. Затем полученный состав тщательно перемешивается с основным объемом связующего материала с помощью специального миксера.
Проведённые в МАИ исследования показали впечатляющие результаты: усталостная прочность образцов повысилась на 45%, а устойчивость к повторяющимся нагрузкам выросла втрое.
Перспективы применения
В настоящее время специалисты изучают возможность применения нанотрубок для повышения качества ремонта авиационных конструкций, в частности, для упрочнения клеевых соединений ремонтных заплаток. Работы ведутся в сотрудничестве с одним из опытно-конструкторских бюро авиационной промышленности.
Разработчики отмечают, что в перспективе технология может быть адаптирована и для других отраслей, где требуются конструкции с повышенными эксплуатационными характеристиками, — в автомобиле-, машино- и судостроении. Это расширит сферу применения разработки и позволит повысить надёжность критически важных узлов и деталей в различных секторах промышленности.