В рубрике «Поговорим о науке» предлагается обсудить совершенствование метода армирования композитных материалов нановолокнами, позволяющего получать вещества с по-настоящему уникальными свойствами. В частности, речь идёт о методе армирования полимеров углеродным волокном (CFRP), для которого крайне важным является наблюдение за ориентацией волокон внутри базового материала.
Полимеры, армированные теми или иными волокнами, сегодня активно применяются в автомобиле- и авиастроении.
Так, планеры (крылья) самолётов многие производители стараются перевести в область «полимерно-волокнистого» производства. В итоге такой материал уменьшает общую массу самолёта (беспилотного летательного аппарата), одновременно повышая его устойчивость перед механическими воздействиями, включая возникающее напряжение по осям во время сверхманеврирования.
Но именно с наблюдением расположения волокон, влияющего (расположения) на механические и оптические свойства материала, у учёных возникали проблемы. Обычно для этих целей использовались источники сверхмощного рентгеновского излучения. Но такого рода излучение могло само в конечном итоге повлиять на те самые нановолокна, которые встраивались в полимер для изменения его свойств. Чтобы такого влияния не происходило, необходимо было добиться визуализации процесса более простым способом. Один из вариантов – использование обычных рентгеновских трубок.
Преуспели в этом исследователи из швейцарского исследовательского института Пауля Шеррера (Цюрих). Учёные усовершенствовали метод малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) до таких параметров, что это позволяет «считывать» данные о структурах и расположении волокон внутри полимера. Это важный шаг на пути к тому, когда образец материала на предмет ориентации в нём волокон можно будет исследовать с помощью, как уже было отмечено, обычного рентгеновского аппарата – без применения запредельных мощностей.
Но почему шаг лишь первый?
Дело в том, что обычный метод SAXS является крайне медленным для исследования «в режиме реального времени». Так, отсканировать сантиметровый образец материала для будущего полимерного крыла самолёта можно лишь за несколько часов. Если операцию проводить быстрее, то разрешение «картинки» будет настолько низким, что исследовать ориентацию волокон в нём станет невозможно (или же крайне затруднительно).
Для реализации обновлённого метода швейцарские специалисты используют набор так называемых рентгеновских линз позади образца. В итоге можно составить диаграммы рассеяния, на основании которых компьютер создаёт визуальную интерпретацию внутреннего строения образца. При этом в данной ситуации достаточно одного рентгеновского снимка. Обновлённый метод позволяет получать рентгеновские проекции относительно высокого разрешения с частотой 25 кадров в секунду на протяжении примерно 11 секунд.
Учёные считают, что этот метод позволит не только отслеживать ориентацию тех же углеродных волокон в армированном полимере, но и программировать эту ориентацию с последующей точной фиксацией в окончательном варианте материала. Таким образом, механические, оптические, температурные и иные свойства образца можно будет задавать программно с полным визуальным контролем выполнения этой программы. В свою очередь это позволит ответить на вопрос, например, о соответствии параметров планера самолёта техническому заданию ещё до того, как он будет окончательно собран и пройдёт все необходимые испытания. Неоценимая помощь для авиаконструкторов.