В МАИ разработали метод повышения прочности и долговечности авиадеталей с помощью нанотрубок

Инженеры Московского авиационного института разработали способ повышения прочности и долговечности полимерных композитов в конструкциях воздушных судов. Они усовершенствовали метод, основанный на использовании углеродных нанотрубок – полых цилиндров длиной до нескольких десятков микрометров, которые добавляют в состав композитных материалов для предотвращения развития трещин. Проведённые в МАИ исследования показали, что при определённом способе добавления этого компонента усталостная прочность образцов повышается на 45%, а их устойчивость к повторяющимся нагрузкам увеличивается втрое.

– Нанотрубки уже известны в авиации и действуют как стоперы трещин, – объясняет автор проекта, инженер научно-исследовательского отдела кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Сергей Ковтунов. – При изготовлении композита их смешивают со связующим – специальным клеевым составом, который окружает и удерживает их. Когда в материале возникает трещина, она либо обходит нанотрубку, увеличивая свою траекторию, либо просто останавливается, не имея возможности преодолеть препятствие. Это значительно повышает ресурс конструкции. 

В рамках проекта учёные кафедры 101 МАИ поставили перед собой задачу равномерно распределить нанотрубки в связующем, учитывая их чрезвычайную склонность к образованию комков, снижающую эффективность применения. В качестве связующего использовали эпоксидные смолы, армированные углеродными волокнами.

– Нанотрубки в тысячу раз жёстче эпоксидной смолы и в сотню раз прочнее углеродного волокна. Для их добавления в клеевой состав мы использовали двухэтапный процесс смешивания. Сначала в специальной ванне генерируются ультразвуковые волны, которые образуют микроскопические вихри. Они разрушают формирующиеся комки и равномерно распределяют нанотрубки в смоле. Затем с помощью специального миксера полученный состав тщательно перемешиваются с основным объёмом связующего материала. В итоге нам удалось добиться улучшения эксплуатационных характеристик на ряде элементарных образцов композитов, причём при минимальной концентрации нанотрубок – всего 0,05% от общей массы материала. Это позволит минимизировать дополнительные затраты на производство, при этом добавление такого количества порошка не влияет на вес готового изделия, – добавляет Сергей Ковтунов.

В настоящее время исследуется возможность применения нанотрубок для повышения качества ремонта авиационных конструкций, в частности, для упрочнения клеевых соединений ремонтных заплаток. Работы ведутся в сотрудничестве с одним из опытно-конструкторских бюро авиационной промышленности.

Как отмечают разработчики, в перспективе технология может быть применена и в других отраслях, где требуются конструкции с повышенными эксплуатационными характеристиками, таких как автомобиле-, машино- и судостроение.