Cấu trúc nano tăng cường, khử băng và giám sát cánh máy bay, cánh tuabin gió và cầu
Trừu tượng đồ họa: Polyme (2022). DOI: 10.3390/polym14214644
Một cảm biến cấu trúc nano, có sự tham gia phát triển và thử nghiệm của các nhà nghiên cứu Skoltech, đã cho thấy triển vọng tăng cường các bộ phận xây dựng làm bằng vật liệu composite polyme được gia cố bằng sợi thủy tinh: cánh máy bay, cánh tuabin gió, nhịp cầu, thân ô tô, vỏ thuyền, v.v. Nó có thể là nhúng vào một cấu trúc mà không cần xử lý nó trong nồi hấp.
Được làm bằng các ống nano carbon, nó tạo ra nhiệt dưới tác dụng của dòng điện; khi được nhúng vào, nó không làm ảnh hưởng đến độ dày của hỗn hợp, các đặc điểm khác không bị ảnh hưởng và không tạo ra các lỗ rỗng không mong muốn. Nó có thể đóng vai trò là cảm biến để theo dõi tình trạng cấu trúc hoặc máy sưởi cho mục đích chống đóng băng hoặc làm tan băng.
Loại thứ hai đặc biệt quan trọng đối với ngành đóng tàu và hàng không nhỏ, nơi có rất nhiều cấu trúc sợi thủy tinh, đặc biệt đối với chương trình phát triển vùng đất Bắc Cực. Nghiên cứu đã được xuất bản trong Polyme.
"Kết quả nghiên cứu của chúng tôi rất đáng chú ý vì nhiều lý do", một trong những người điều tra nghiên cứu, Nhà khoa học nghiên cứu hàng đầu Sergey Abaimov của Skoltech, nhận xét.
"Đầu tiên, vật liệu tổng hợp được trang bị thêm chức năng: Bằng cách đưa một dòng điện vào lớp ống nano carbon và theo dõi tín hiệu, có thể theo dõi sự xuống cấp của cấu trúc và ngăn ngừa thảm họa bằng cách dự đoán sự cố. Điện cũng có thể được sử dụng để sưởi ấm, ví dụ, để làm tan băng cánh máy bay hoặc cánh quạt gió. Thứ hai, hệ thống sưởi có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu này ngay từ đầu, 'tự xử lý' hỗn hợp polyme mà không cần sử dụng nồi hấp, đó là tốn kém và ngốn điện."
"Hơn nữa, và đây là nội dung của bài báo về Polyme, chúng tôi cũng đang giải quyết vấn đề gây khó khăn cho các vật liệu có vi cấu trúc nhúng nói chung: tác động bất lợi của việc nhúng đối với các đặc tính tổng hợp," tác giả chính của nghiên cứu, Stepan Lomov của Skoltech, cho biết. thêm.
"Người ta có thể mong đợi rằng một khi chúng ta nhúng các ống nano carbon - hoặc bất kỳ thứ gì, thực sự - vào một vật liệu tổng hợp, chúng ta phải chịu đựng độ dày tăng lên và các khuyết tật bổ sung ở dạng lỗ chân lông hoặc hướng sợi bị biến dạng. Nhưng thật ngạc nhiên, cuối cùng chúng ta lại có độ dày không thay đổi , không có thêm độ xốp và các đặc tính cơ học được cải thiện, không bị tổn hại."
Vật liệu composite polyme cốt sợi thủy tinh được sử dụng trong máy bay, tàu, cầu, ô tô, thiết bị thể thao và các nơi khác. Chúng được sản xuất bằng cách xử lý nhiều lớp sợi thủy tinh được tẩm nhựa epoxy với nhau. Để tạo ra hỗn hợp chất lượng cao, toàn bộ bộ phận tổng hợp—có thể rất lớn, chẳng hạn như trong kỹ thuật máy bay—được xử lý trong buồng nhiệt độ cao, áp suất cao được gọi là nồi hấp.
Chỉ những công ty lớn mới có thể mua một nồi hấp đủ lớn để sản xuất các bộ phận lớn bằng công nghệ này, đồng thời chi phí điện năng và tác động môi trường cũng là một mối quan tâm, bởi vì mỗi lần tiêu tốn nhiều điện năng để làm nóng toàn bộ thể tích của buồng, bất kể kích thước thực tế là bao nhiêu. kích thước và hình dạng của phần composite được chữa khỏi.
"Tuy nhiên, nếu bạn nhúng các ống nano cacbon vào giữa các lớp liền kề của vật liệu tổng hợp, thì bạn có thể sử dụng dòng điện và truyền nhiệt vào vật liệu một cách rất hiệu quả mà không lãng phí năng lượng khi làm nóng toàn bộ thể tích của nồi hấp. Điều này có thể tiết kiệm khoảng 99% năng lượng sức mạnh," Abaimov nói.
Để so sánh các đặc tính của vật liệu, nhóm nghiên cứu đã sản xuất hỗn hợp polyme cả khi không có cấu trúc ống nano carbon nhúng và có nó. Các phép đo cho thấy không có sự gia tăng về độ dày, cũng như sự hình thành lỗ rỗng không mong muốn, cũng như sự sai lệch của sợi.
Các nhà nghiên cứu đã giải thích điều này về độ mao dẫn nano cực cao của ống nano, một đặc tính khiến chúng "hút" các lỗ rỗng khỏi nhựa epoxy, nếu không sẽ ảnh hưởng xấu đến các đặc tính của composite, tạo ra áp suất khiến các lớp sợi thủy tinh bị dính lại. vững chắc với nhau.
Nghiên cứu được báo cáo trong câu chuyện này thuộc về một lĩnh vực nghiên cứu mà chính các tác giả gọi là "sự hợp nhất đa chức năng để tăng cường vòng đời của vật liệu thông qua kỹ thuật nano của các cấu trúc composite tiên tiến."
Nói cách khác, cấu trúc nano được đề xuất tăng cường các đặc tính của vật liệu và mang lại cho nó nhiều chức năng—trong trường hợp này là giám sát tình trạng cấu trúc và làm tan băng—cũng như đóng vai trò tích cực ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của sản phẩm, ngay từ đầu quá trình sản xuất của nó, khi lớp ống nano cacbon dẫn điện cho phép xử lý hỗn hợp ngoài nồi hấp.
Cùng với Skoltech Ph.D. sinh viên Alexei Shiverskii, Sergey Abaimov đã tạo ra một lò phản ứng độc đáo để sản xuất cấu trúc nanocompozit tại Viện. Abaimov giải thích: "Bài báo chúng tôi xuất bản lần này chỉ là bước đầu tiên trên con đường thực hiện một loạt các chức năng mà chúng tôi tuyên bố là tồn tại". "Tiếp theo, chúng ta cần để bắt tay vào làm việc và đạt được kết quả cho tất cả các chức năng được tuyên bố, điều cần được quan tâm bên ngoài phòng thí nghiệm, trong các ngành liên quan."
