При участии ученых из Сколтеха разработан и исследован наноразмерный датчик, который можно внедрить в том числе и в пролет моста, или любую конструкцию из стекловолоконных полимерных композиционных материалов без запекания ее в автоклаве. Датчик сам разогревается до необходимой температуры путем подведения тока, не увеличивает толщину конструкции и не нарушает свойств композиционного материала, а, напротив, устраняет нежелательные поры. Использовать его можно для мониторинга целостности конструкции или борьбы с обледенением путем нагрева.
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 лед. Во-вторых, изготавливать его можно по тому же принципу, нагревая и спека́я полимерный композит пропусканием тока, без автоклава, который дорог и неэффективно расходует электроэнергию.
В-третьих, можно избавиться от проблемы, практически неизбежной при использовании микроразмерных датчиков, а именно их негативного влияния на свойства композита. Парадоксальным образом, внедряя в полимерный композит нечто — углеродные нанотрубки — нисколько не утолщается материал и не вносятся дефекты в виде пор и нарушения расположения волокон. Механические свойства не просто не страдают — они улучшаются.
Полимерные композиционные материалы, из которых изготавливают детали мостов и многое другое, получают спеканием многих слоев стекловолокна, пропитанных эпоксидной смолой. Обычно вся деталь, которая может иметь внушительный размер, помещается для запекания в автоклав — камеру с высокой температурой и давлением. Автоклав достаточного объема для изготовления деталей большого размера могут себе позволить лишь крупные компании. Он дорог и в эксплуатации, потому что независимо от размера запекаемой детали нагревается каждый раз весь объем камеры.
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 счет этого можно сэкономить до 99% электроэнергии.
Для сравнения авторы исследования изготовили полимерный композит без добавления структуры из углеродных нанотрубок и аналогичный материал с ней и убедились, что увеличения толщины и нарушения направления волокон не происходит, нежелательные поры не появляются. Они связали это с крайне высокой капиллярностью нанотрубок, из-за которой вредные для свойств материала поры «высасываются» из эпоксидной смолы и возникает давление, прочно слепляющее слои композита друг с другом.
Иными словами, предложенная наноструктура улучшает свойства материала, придает 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.
По материалам Naked Science.
