Kompositmaterial har blivit en integrerad del av industrin, används inom flyg- och rymdteknik, samt biltillverkning och gruvdrift. Dock, intern spänningsbedömning med kompositmaterialdesign har länge varit utmanande. Forskare från NUST MISIS Center of Composite Materials, ledd av professor Sergey Kalosjkin, har nu föreslagit en beröringsfri metod för intern spänningskontroll i polymerkompositer. Forskarna rapporterar att det nu är möjligt att mer effektivt bedöma graden av inre skada under drift av flygplansdelar, oljeledningar, fartygsskrov, och andra industri- och transportanläggningar.

Andrey Stepashkin, Kandidat för tekniska vetenskaper och senior forskarassistent vid NUST MISIS Center of Composite Materials, diskuterat varför bedömningsproblemet är så kritiskt:"Det finns kompositmaterial där den inre spänningen når 95 procent av draghållfastheten efter tillverkning. Det kommer att spricka om vi lägger till ännu lite mer tryck. T.ex. ett antal kompositmaterial, bearbetar utmärkt värme- och termiskt motstånd och skapat för rymdfarkosten Buran, hade en hög nivå av inre spänningar på grund av egenskaperna hos deras tillverkning. Detta har blivit ett stort problem. För att få en fungerande del av svart plätering, 50 stycken fick kastas ut."

Det finns ingen sådan nivå av inre stress i kolplaster, glasfiber, eller hybridkompositmaterial efter tillverkning. Istället, spänningar uppstår och ackumuleras under påverkan av driftsbelastningar, den yttre miljön och vädret, vilket kan leda till skador i materialet och minska dess bärförmåga. Sådana förändringar påverkar driftsäkerheten och måste identifieras i tid.

Det finns metoder för att kontrollera spänningar i kompositkonstruktioner, men de är ofta obekväma, och ibland är inte acceptabla på grund av prognosnoggrannhet. Till exempel, beröringsfria metoder (ultraljud, akustisk detektering av fel, shearography) gör det möjligt för forskare att upptäcka defekter som redan har inträffat, och ger inte information om spänningen i materialet eller om deras fördelning i strukturen. De accepterade metoderna för att bedöma spänningstillståndet i ett ramverk kräver alla kontakt och anslutning till materialet med hjälp av självhäftande filmsensorer. Det är därför det för närvarande är omöjligt att upptäcka något innan ett defekt uppstår med beröringsfria metoder.

Tanken med denna forskning är att använda amorfa mjuka magnetiska kretsar 10 till 60 mikron i diameter för att bedöma spänningstillståndet i kompositmaterial. Under tillverkningsstadiet, ledningar läggs mellan kolfiberskikten, bildar ett stresskänsligt rutnät.

Stresstillståndet som omger mikrotråden påverkar hur ämnet reagerar på externa magnetfält. Följaktligen, dessa mätningar kan utföras utan kontakt, en anslutning till avkänningselementet, eller självhäftande sensorer – detekteringssystemet är inbäddat i materialet under tillverkningsstadiet. Det är också viktigt att forskare bara behöver använda en sensor, till skillnad från vissa metoder för feldetektering som kräver att utrustningen exponeras på båda sidor. Denna teknik förenklar avsevärt, ökar farten, och minskar kostnaderna för att bedöma kompositmaterialens tillstånd genom att göra reparationer enklare och möjliggöra mer exakta förutsägelser om framtida defekter, allt på ett kontaktlöst sätt.

Forskarna har utarbetat hur man kan föra in mjuka magnetiska trådar i kompositmaterialet och hur man ser till att kompositmaterialets egenskaper från detta inte försämras. Likaså, de har också bemästrat olika mätlägen. Flera företrädare för flyg- och rymdindustrin, såväl som utvecklare av kompositmaterial, har hyllat denna nya metod. Enligt Andrey Stepashkin, forskare vill nu utveckla en fältprototyp och mäta system baserade på labbutrustning.

"Vi har tagit det första steget på en lång resa. Men vi ser redan en praktisk tillämpning av vår utveckling. Dessutom, den har fler funktioner - mikrotrådsnätet som införs i materialet kan ge en extra tömning av den statiska laddningen som uppstår i glasfiberstrukturer. Våra ledningar är ganska kapabla att ersätta metallgaller som nu sätts in i dessa material, " han lade till.

Forskningsarbetet publiceras i Journal of Alloys and Compounds .