Ученый демонстрирует проволочку, о которой не скажешь, что она тонкая, скорее, воздушная. Человеческий волос рядом с ней толще в разы. Сравнить ее можно разве что с паутинкой, да и то не со всякой. А на самом деле это металлический провод, к тому же в стеклянной оболочке и немалого диаметра — порядка 20 микрометров. На этом удивительном проводе держится весь необычный метод контроля. Его задача — находить невидимые глазу поля внутренних напряжений в композиционных материалах — источник возникновения микроповреждений, что приводят к авариям и катастрофам. Допустить их никак нельзя, поэтому еще на стадии проектирования конструкторы закладывают в детали огромный запас прочности, чтобы они выдержали весь отведенный им срок службы и не преподнесли неприятных сюрпризов. Но все предусмотреть невозможно. Скажем, при производстве композитного материала может случайно попасть капля воды. Казалось бы, что тут страшного? Однако при термическом прессовании в этом месте возникает небольшое расслоение, и в дальнейшем под действием эксплуатационных нагрузок образуется опасная трещина. И хотя запас прочности авиационной техники чрезвычайно высок, он все же не спасает от несчастных случаев.
Как этого избежать, как контролировать изменение внутренних напряжений в конструкциях из композиционных материалов? Если речь идет, скажем, об оболочке толщиной всего 1,5-2 миллиметра, то обнаружить в ней микроповреждения чрезвычайно трудно. Ультразвуковая дефектоскопия, например, не в силах уловить такие малости, как изъяны отдельных нитей в стеклопластике, поскольку он, можно сказать, “не звенит”. Проблема еще и в том, что существующие методы контроля выявляют только дефекты определенной величины — как правило, большие трещины и расслоения — и в данном случае не годятся, потому что повреждение лишь формируется. Все это касается самолетостроения и ракетно-космической техники, химических реакторов и емкостей, всевозможных трубопроводов и много чего еще, сделанного из композиционных материалов.
НИТУ “МИСиС” взялся решить эту проблему. Рассказывает один из разработчиков метода, старший научный сотрудник Центра композиционных материалов университета кандидат технических наук Андрей СТЕПАШКИН (на снимке):
— На протяжении многих лет одним из направлений работы нашей лаборатории является изучение аморфных металлических сплавов (не имеющих регулярной кристаллической структуры), в частности, проводов диаметром от 15 до 60 микрометров (тоньше человеческого волоса). Чтобы получить композиционный материал, как правило, надо сделать заготовку, состоящую из армирующих волокон и полимерной матрицы. Однако их свойства значительно отличаются. Это проявляется в процессе нагрева и при повышенном давлении, когда изделию придается форма. Беда в том, что каждая часть, составляющая композиционный материал, имеет свой коэффициент линейного расширения, и при охлаждении их размеры уменьшаются неодинаково: одни частицы, сжимаются, скажем, в полтора раза, другие — в два. По этой причине в процессе эксплуатации в композиционном материале возникают внутренние напряжения, которые могут достигать значительных величин и привести к микроповреждениям.
— Как же обнаружить опасные изменения?
— Сделать это можно лишь с помощью очень трудоемких и затратных контактных или разрушающих методов. Мы пошли своим путем, использовав многолетний опыт предыдущих исследований. Известно, что механические напряжения, воздействующие на тончайшие аморфные микропровода, вызывают изменения в их магнитных характеристиках и, как показали наши исследования, связаны с величиной и знаком механических напряжений. Так почему бы не использовать это явление для создания датчика — основы нового метода контроля? Еще на стадии изготовления конструкции из композиционного материала мы закладываем в заданном при проектировании порядке и в заранее определенные слои чувствительные элементы в виде аморфных металлических микропроводов. Один из них — та самая проволочка, которую я показал. Поле напряжений в готовой конструкции измеряется неконтактным способом с помощью датчика, содержащего катушки, возбуждающие переменное магнитное поле. В идеале устройство должно перемещаться вдоль конструкции с помощью промышленного робота, что обеспечит воспроизводимость измерений. А зная магнитный отклик материала, можно построить распределение напряжений в деталях.
Контрольные данные необходимо получить в самом начале их работы, затем — по мере эксплуатации и сравнить. И если в показаниях датчика обнаружатся значительные расхождения, то причину обязательно установят и примут меры по предотвращению возможной аварийной ситуации. Благодаря своей сверхчувствительности наш метод выявляет накопление микроповреждений, которые никаким другим способом обнаружить невозможно, а потому его можно будет применять для контроля наиболее ответственных конструкций. Ценность датчика в том, подчеркну, что он найдет даже не повреждения, а лишь первые их признаки. Обязательно их отметит, и технологи получат бесценную информацию — прогноз на появление дефектов. Замечу, что подобного метода контроля композиционных материалов в мире не существует.
— И в каком состоянии находится ваш чудо-комплекс?
— Его еще нет, есть лишь лабораторный прототип. С его помощью мы отрабатываем метод. Почти год назад мы опубликовали статью в известном зарубежном журнале. Отклики и ссылки уже есть. И сплошь положительные. Полученные результаты были доложены на научно-технических советах крупных отечественных предприятий, выпускающих ответственные детали из композиционных материалов. Они заинтересованы в создании контрольно-измерительного прибора и готовы вместе с нами довести его до рабочего состояния. Дело за финансированием.
— А будет кому сделать такой комплекс?
— Конечно. На предприятиях авиационно-космической отрасли немало отличных электронщиков.
— Сколько может стоить такая система контроля?
— Это зависит от области применения и габаритов контролируемых конструкций. Скажем, если это емкость для хранения химических веществ, то одна цена, а если крыло самолета, — другая. Думаю, комплекс обойдется в 2-3 миллиона рублей. Бóльшая их часть пойдет на создание роботизированной системы, поскольку стоимость чувствительных элементов сравнительно невелика. Наших потенциальных заказчиков такие суммы не пугают. Они понимают, что подобное устройство не может стоить дешево, и сопоставляют затраты с огромным выигрышем, полученным от его применения.
— Так когда будет создан комплекс?
— Трудно сказать. Финансирования, повторюсь, нет, грантов тоже. Наша группа, а это семь-восемь человек, участвует в различных проектах и над датчиком, и методикой к нему работает урывками, в свободное время, фактически на энтузиазме. Финансирование изменило бы ситуацию, позволило бы кроме нас, материаловедов, привлечь к проекту конструкторов-технологов, высококлассных электронщиков. Тогда мы сделаем роботизированный комплекс, минимизирующий участие человека, поскольку речь идет о контроле наиболее ответственных деталей. Его точность будет достигать нескольких микрон. Но возможно ли это?..
Юрий ДРИЗЕ
Фотоснимки предоставлены МИСиС
На снимке: микропровод в стеклянной оболочке, используемый в качестве чувствительного элемента
Нет комментариев