Новое "умное" покрытие поможет отыскать трещины в металлических структурах

Однослойная углеродная нанотрубка представляет собой полую цилиндрическую структуру из одной графеновой плоскости.
Фото Global Look Press.

Исследователи из Университета Райса в США представили новое "умное" покрытие, которое поможет спасти множество жизней и сэкономить немало средств на ремонте различных конструкций.

По словам инженеров, одна из характерных особенностей углеродных нанотрубок позволит измерять напряжение, скажем, в крыле самолёта, трубопроводе, на мосту или любой другой металлической конструкции. В результате специалисты смогут заметить появление трещин даже на микроскопическом уровне и предпринять меры, пока разрушение не стало катастрофически опасным.

Ещё в 2002 году команда химиков под руководством Брюса Вейсмана (Bruce Weisman) установила, что одностенные (или однослойные, то есть состоящие из одного слоя атомов углерода) углеродные нанотрубки способны флуоресцировать под воздействием лазера.

Несколько лет спустя учёные выяснили, что при растяжении нанотрубки изменяют цвет флуоресценции (меняется длина волны генерируемого ближнего инфракрасного излучения).

Затем к научной группе присоединился инженер Сатиш Нагараджайа (Satish Nagarajaiah), который изучал свойства углеродных нанотрубок при помощи рамановской спектрометрии.

Вместе исследователи решили разработать новую технологию, чтобы благодаря открытым свойствам можно было измерить степень деформации материала.

В результате они создали покрытие, напоминающее "умную кожу". Оно представляет собой двухслойную плёнку толщиной всего несколько микрометров (тоньше человеческого волоса). Её нижний слой состоит из полимера, "начинённого" углеродными нанотрубками. Верхний слой является защитным и состоит из полимера другого типа.

При этом, как уже упоминалось, углеродные нанотрубки флуоресцируют под воздействием лазерного излучения. Если нанести "умное" покрытие на материал, оно будет излучать волны света различной длины, в зависимости от показателя механического напряжения.

Исследователи провели множество испытаний, чтобы усовершенствовать состав плёнки и возможности её практического применения. Как отметил Вейсман, изначально этот проект был "чисто научным". Когда его команда поняла, что "умное" покрытие позволяет измерить деформацию на конкретном участке той или иной поверхности, специалисты продолжили эксперименты, и теперь их технология позволяет измерять напряжение на поверхности с большей площадью.

"Когда мы разделили чувствительный и защитный слои, излучение нанотрубок стало более чётким. Мы можем проводить сканирование с гораздо более высоким разрешением, что позволяет нам довольно быстро записывать значительные объёмы данных", — отметил Нагараджайа.

Для этого был также разработан специальный сканер. Он автоматически фиксирует данные сразу из нескольких заранее заданных точек, анализируя длину волны ближнего инфракрасного излучения. На основе полученных данных затем составляются так называемые деформационные карты.

В ходе испытаний исследователи наносили новое покрытие на алюминиевые стержни с отверстиями или трещинами. Повреждения были минимальными, на первый взгляд незаметными. В ходе тестов специалисты сперва сканировали стержни в "состоянии покоя", а затем – под нагрузкой. Приборы зафиксировали резкие изменения свойств в местах деформаций.

"Мы знаем, где [располагаются] области с высоким напряжением, потенциальные "точки отказа". Мы можем покрыть эти места плёнкой и просканировать их в "здоровом" состоянии, а затем, после события, подобного землетрясению, вернуться и перепроверить, чтобы увидеть, изменилось ли распределение деформации и подвержена ли структура риску", — поясняет Нагараджайа.

Его коллеги также отмечают, что стандартные датчики предоставляют усреднённые показатели для нескольких миллиметров поверхности. Тем временем благодаря "умному" покрытию можно получить данные о повреждениях на расстоянии в один миллиметр и – при необходимости – до 20 раз меньше.

Авторы разработки уверены, что она найдёт массу практических приложений. Причём различные конструкции и их части (от турбин реактивных двигателей до инфраструктурных построек вроде мостов) можно будет тестировать ещё на этапах сборки.

"Плёнка не заменит все существующие технологии для измерения деформации. Но у неё есть преимущества, которые окажутся полезными, когда другие методы не смогут выполнить эту работу", — заключает Вейсман.

Теперь его команда работает над созданием нового поколения сканеров, которые смогут фиксировать деформации на ещё больших поверхностях.

Более подробно о создании "умного" покрытия и его характеристиках исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале Structural Control and Health Monitoring. В другой научной работе, представленной в издании Journal of Structural Engineering, отдельно описываются испытания разработки.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, что из углеродных нанотрубок учёные создают множество полезных материалов и приборов. Среди них, к примеру, фильтр для очистки воды, суперконденсаторы, детекторы бомб, транзисторы, а также пластмасса и невероятно прочный шёлк.

Сегодня