Наступило время бурного развития композиционных материалов. Вследствие малого веса и высокой прочности они все шире применяются в различных отраслях народного хозяйства: авиации, космической технике, автопроме, строительстве, оборонной промышленности. Композиты все чаще замещают металлы, активно используются при изготовлении различных изделий и конструкций (деталей самолетов, мостов, переходов, балок, вышек и пр.). Все больше и больше композитов появляется в летающих объектах. Ярким примером здесь служит изготовление композитных крыльев самолетов МС-21 из углеволокна.
Композиционные материалы, как правило, состоят из какой-то основы (матрицы) и различных наполнителей, придающих этой матрице уникальные свойства. Спектр таких материалов обширен. Это металлические сплавы, полимеры, керамика, стекла и др.
В полимерных композитах основой служит полимерный материал. Различные смолы, полиэтилен, полистирол и др. В них можно вводить множество разных наполнителей: порошки, волокна, нити, ткани. В зависимости от применяемой матрицы и наполнителей получают материалы с необходимыми свойствами.
Над разработкой новых композиционных материалов сегодня работают ученые многих стран мира. Одним из новых и перспективных направлений является создание «умных» композитов, выполняющих не только роль конструкционного материала, но и ряд дополнительных функций (измерение нагрузок, температуры, изменение цвета, восстановление формы).
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) создана концепция получения “умных” композитов, осуществляющих внутренний мониторинг своих нагрузок. В полимерные композиты внедряются ферромагнитные аморфные провода толщиной с человеческий волос. Эти провода выполняют функцию встроенного протяженного тензодатчика, который в режиме on-line может передавать данные о нагрузках внутри композита.
Совместно с компанией «Карбонтекс» была разработана технология внедрения аморфных проводов в углепластики и стеклопластики методом 3D-ткачества. Примеры пластин из угле- и стекловолокна с аморфным проводом приведены на фото.
Технология 3D-ткачества позволяет изготовлять объемные и прочные композитные изделия большой толщины, в которых аморфный провод является сенсорным элементом нагрузок. Таким методом можно получать композитные крылья, панели крыла, лонжероны, вертолетные лопасти, лопатки вентиляторов двигателей, ветровых установок, силовые конструкции, дорожные перекрытия. Во всех таких объектах в период эксплуатации можно осуществлять мониторинг нагрузок в режиме реального времени.
Испытания показали хорошую адгезию аморфного провода с угле- и стекловолокном. Сам аморфный микропровод имеет следующие характеристики: диаметр 50-150 мкм, предел прочности 2500 - 3500 МПа, упругое удлинение до 3%, удельное электрическое сопротивление 1,3∙10-6 Ом∙м, температурный коэффициент электрического сопротивления 10-5 1/К. Очень важно, что сопротивление аморфного провода при приложении нагрузки изменяется линейно (см. график), что позволяет ему хорошо работать протяженным внутренним тензодатчиком.
Возможность изготовления композитных пластин с аморфным проводом позволило разработать абсолютно новые тензодатчики нагрузок. Их основное преимущество в том, что они протяженные и могут достигать длины сотен метров. Такие датчики востребованы для мониторинга напряженно-деформируемого состояния трубопроводов, железных дорог, автодорог, мостов, туннелей. Аморфные датчики могут соединяться последовательно, обеспечивая мониторинг всей протяженности многокилометровых контролируемых объектов. Сигнал о нагрузках передается по проводам, WiFi или радиорелейным линиям в режиме on-line. Создание композитных датчиков является одним из примеров “умных” композитов, способных осуществлять мониторинг собственных нагрузок в процессе эксплуатации. Подробнее на сайте: www.amorphous-wires.ru
