Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Малайзии впервые исследовали углерод-углеродный композит новым методом неразрушающего контроля — ультразвуковой инфракрасной термографией. Сам материал является перспективным для ракетной и авиационной техники, так как выдерживает температуру до 2500 ^оС.

Эксперименты доказали, что этот метод позволяет с высокой точностью и в режиме онлайн обнаруживать так называемые «целующиеся» дефекты («kissing-bond» defects) в материале. Если их вовремя не обнаружить, они могут стать причиной аварийных ситуаций. Результаты исследования опубликованы; в журнале Composites Part B: Engineering (IF: 4,92; Q1).

«Благодаря своей высокой прочности при относительно низкой массе и устойчивости к коррозии композитные материалы широко используются в аэрокосмической технике, судостроении и автомобилестроении. Но у них есть существенное ограничение — композиты уязвимы для ударных повреждений. Если их использовать на внешних деталях летательных аппаратов (самолетов, ракет и других), например, их могут повредить град, удары птиц и инструмента. Дефекты в таких материалах часто незаметны — мельчайшие отслоения, трещины, разрывы волокон. Но со временем в процессе эксплуатации они становятся больше, потенциальная опасность растет. Поэтому производство ответственных деталей из композитов требует новых методов неразрушающего контроля», — говорит научный сотрудник Агентства по ядерной энергии Малайзии Заки Умар. Недавно он находился на стажировке в Томском политехе.

У углерод-углеродного композита сложная волокнистая структура. Для нее характерны «целующиеся» дефекты. Это такие дефекты, например, трещины, в которых края тесно соприкасаются друг с другом.

Их сложно обнаружить стандартными ультразвуковым и рентгеновским методами, потому что они не оказывают сопротивления механическим волнам и ионизирующему излучению. Поэтому в Томском политехе Заки Умару предложили использовать для контроля углерод-углеродного композита метод ультразвуковой инфракрасной термографии. Он объединяет сразу два метода неразрушающих испытаний: ультразвуковой и тепловой. И Томский политехнический университет — это один из немногих научных центров в России, где проводятся исследования в области ультразвуковой инфракрасной термографии.

Фото: экспериментальная установка для проведения контроля / Composites Part B: Engineering

«Пока этот метод остается новым во всем мире, и в России на производстве не внедрен. Хотя у него есть целый ряд преимуществ, — говорит заведующий научно-производственной лаборатории «Тепловой контроль», профессор ТПУ Владимир Вавилов. — Суть метода проста: в объект контроля вводится мощный ультразвук частотой 20–40 килоГерц — гораздо мощнее, чем в традиционном ультразвуковом контроле. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле, вызывает трение стенок дефектов, генерируя тепловую энергию. Эту энергию мы фиксируем с помощью инфракрасной камеры, установленной на небольшом расстоянии от объекта контроля. По тепловому “отпечатку” дефектов можно судить об их расположении и характеристиках».

Эксперименты показали, что ультразвуковая инфракрасная термография весьма эффективна для обнаружения дефектов в углерод-углеродном композите. Исследователи получали четкие сигналы, которые трудно спутать с «шумами», которые сопровождают стандартный ультразвуковой контроль.

«Из композитов, в том числе углерод-углеродного, делают сложные по форме детали, которые затруднительно испытывать обычным ультразвуком. Метод ультразвуковой термографии гораздо менее требователен к выбору точки ввода ультразвука, поэтому он пригоден для контроля деталей сложной формы. Процесс контроля проходит в режиме онлайн, все данные сразу доступны для анализа», — поясняет профессор Вавилов.

Также с помощью разработанной в ТПУ программы ThermoSource ученые решали важную фундаментальную задачу оценки энергии, выделяемой дефектами при внутреннем трении. Это позволит определить предельные возможности метода и оптимизировать процедуру неразрушающих испытаний. Кроме того, трехмерное моделирование тепловыделения в дефектах позволяет исследовать структуру сложных дефектов, которые возникают в композитах из-за внешних воздействий.

Разработанную методику контроля и модель расчета выделяемой энергии теперь можно будет использовать и для других композитных материалов, в частности, углепластика, стеклопластика, композитной керамики и других.

Справка: Композитные материалы — это многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы, армированной различными наполнителями. Благодаря сочетанию компонентов создаются новые материалы. Их свойства качественно отличаются от свойств каждого из компонента по отдельности.