Новый сенсор ускорит производство композитных деталей самолётов и лопастей ветряков

Учёные из Сколтеха при поддержке Программы трансляционных исследований и инноваций Сколтеха разработали и запатентовали метод мониторинга процесса изготовления изделий из термореактивных полимеров. Из этих материалов сделана значительная часть деталей самолётов, кораблей, лопасти ветряков и многие составляющие автомобилей и спортивного снаряжения высокого класса. Они подолгу — порой в течение нескольких дней — запекаются в огромных печах, и новый метод мониторинга позволяет отследить момент, когда этот энергозатратный процесс можно завершать. Тем самым экономятся электроэнергия и время, а освободившуюся раньше печь можно задействовать в других задачах. Изобретение зарегистрировано Роспатентом.

Изделия из термореактивных полимеров запекаются в крупных печах или автоклавах, особенно если речь идёт, например, о массивных авиадеталях. Такие аппараты дорого стоят, и их эксплуатация сопряжена со значительными расходами, в том числе на электроэнергию: высокая температура поддерживается в большом объёме на протяжении долгого времени. Соответственно, производителю выгодно прекратить запекание, как только полимеризация будет завершена.

Но как понять, что полимер спёкся? Нагрев изделия осуществляется за счёт конвекционных потоков воздуха, поведение которых зависит от формы изделия и трудно поддаётся прогнозированию. Полимеризация может идти с разной скоростью в разных точках запекаемой детали. В итоге у производителя остаётся два малоприятных варианта, как действовать.

С одной стороны, можно «перебдеть» и выключить печь лишь тогда, когда уже нет сомнений, что материал полимеризован по всему объёму изделия. Очевидные минусы — перерасход электроэнергии и времени.

С другой стороны, можно использовать тот или иной метод мониторинга степени полимеризации, чтобы не пропустить момент, когда изделие готово. Взятие образцов на анализ — трудозатратный процесс, который к тому же вредит изделию и требует временного выключения печи, которую затем придётся разогревать заново. Если встроить в изделие оптоволоконные датчики, это может повлечь возникновение концентраций напряжений, и пострадают механические свойства армированного полимера. К тому же, потребуется весьма дорогостоящее оборудование. Последний недостаток в целом характерен и для акустического зондирования, и для других применяющихся сейчас подходов.

Исследователи называют своё изобретение встраиваемым наносенсором, но форма реализации зависит от необходимой точности и бюджета. Наиболее совершенный вариант — это сложная наноструктура, которая изготавливается осаждением из газовой фазы и встраивается в запекаемую деталь. В зависимости от запроса производителя и особенностей изделия может использоваться один такой сенсор или сразу много. Самый простой вариант — это одно из множества веществ, проводящих электрический ток, которые могут служить добавками к полимеру: оксиды металлов, углеродные нанотрубки, графен и многие другие. Такое вещество не обязательно должно иметь наноструктурированную или наноразмерную форму — например, исследователи провели успешный эксперимент с электролитическим медным порошком.