Los materiales compuestos penetraron en casi todas las esferas de nuestra vida, pero especialmente con fuerza, en todo tipo de transporte. Y desde el comienzo de su implementación, existe el problema de evaluar las tensiones internas en una estructura hecha de material compuesto, tanto en la etapa de su fabricación como en su uso.
Los científicos del Centro de Materiales Compuestos de NUST "MISiS" bajo la guía del Profesor Sergei Kaloshkin propusieron un método sin contacto para controlar las tensiones internas en los compuestos de polímeros. Usando el nuevo método, es mucho más simple y económico evaluar el estado de tensión y el grado de daño interno durante la operación de estructuras hechas de materiales compuestos, como partes de aviones, recipientes a presión, cascos de barcos.
Por qué el problema de la evaluación es de importancia crítica, dice uno de los autores del trabajo, investigador principal del Centro de Materiales Compuestos de NUST "MISiS" Ph.D. Andrey Stepashkin: “Existen materiales compuestos en los que la tensión interna después de la fabricación alcanza el 95% de la resistencia a la tracción. Es decir, agregará un poco más de tensión, y se romperá. Por ejemplo, una serie de materiales compuestos creados para la nave espacial reutilizable Buran, que poseen una excelente resistencia al calor y resistencia al calor, tenían un alto nivel de tensiones internas debido a las peculiaridades de su tecnología de fabricación. Esto se convirtió en un gran problema: para obtener un producto del material Gravimol (que se utilizó para el revestimiento negro del barco), se necesitaron cincuenta para casarse ”.
En los plásticos de carbono, fibra de vidrio, materiales compuestos híbridos después de la fabricación no existe tal nivel de tensiones internas. Pero surgen y se acumulan bajo la influencia de cargas operativas, el entorno externo y los factores climáticos, que pueden provocar daños en el material y una disminución de su capacidad de carga. Dichos cambios afectan la seguridad operacional y deben identificarse de manera oportuna.
Existen métodos para controlar las tensiones en estructuras compuestas, pero a menudo son inconvenientes y a veces no son aplicables en absoluto debido a la precisión del pronóstico. Por ejemplo, los métodos sin contacto (ultrasonido, detección de defectos acústicos, esquemagrafía) le permiten detectar solo defectos que ya han aparecido y no proporcionan información sobre los esfuerzos que actúan en el material, o sobre su distribución sobre el cuerpo de la estructura. Y los métodos aceptados para evaluar el estado de tensión en la estructura son el contacto y requieren conectar varios sensores de película al material usando una pegatina, dice Andrey Stepashkin. Entonces, la etapa "antes del defecto" prácticamente no está cubierta por métodos sin contacto. Por lo tanto, estamos desarrollando dicho método ".
La idea, que se incorpora en el trabajo, es utilizar microhilos amorfos magnéticamente blandos con un diámetro de 10-60 micras para evaluar el estado de tensión en un material compuesto. Los cables en la etapa de fabricación se colocan entre las capas de fibra de carbono, formando una red sensible al voltaje.
El estado de tensión en el material que rodea el microhilo influye en cómo reacciona la sustancia en el cable a un campo magnético externo. En consecuencia, estas mediciones pueden llevarse a cabo sin contacto, no se requiere que el elemento sensible esté conectado, no se requiere su etiqueta, ya que está incrustado dentro del material a la profundidad requerida en la etapa de fabricación. También es importante que pueda usar un solo sensor, a diferencia de algunos de los métodos de detección de fallas aplicados, para lo cual es necesario configurar el equipo en ambos lados de la parte estudiada. De hecho, esta tecnología simplifica, acelera y abarata significativamente el proceso de evaluación del estado del material compuesto, lo que permite no solo reparar, sino también predecir la aparición de defectos sin contacto.
Por el momento, los investigadores han elaborado un método para incorporar cables magnéticos blandos en un material compuesto, se han asegurado de que las propiedades del material compuesto no se deterioren a partir de esto y también han elaborado varios modos de medición.
La metodología de los científicos en esta etapa ya fue apreciada por varios representantes de las industrias del espacio y la aviación, así como por los desarrolladores de materiales compuestos. Según Andrey Stepashkin, ahora los investigadores tienen que "abandonar el laboratorio": sobre la base del dispositivo de laboratorio para desarrollar un prototipo de "campo" del sensor y el sistema de medición.
"Hemos dado solo el primer paso de un largo viaje", enfatizó el científico. "Pero ya vemos la aplicación práctica concreta de nuestro desarrollo". Además, tiene características adicionales: una malla de microhilo introducida en el material puede proporcionar un drenaje adicional de carga estática que surge en las estructuras de fibra de vidrio. Nuestros cables pueden reemplazar la malla metálica que se está insertando en estos materiales ahora ".
Investigadores publicados en
Journal of Alloys and Compounds .
Foto por:
Sergey Gnuskov