Ученые из Сколтеха при поддержке Программы трансляционных исследований и инноваций Сколтеха разработали и запатентовали метод мониторинга процесса изготовления изделий из термореактивных полимеров.
Из этих материалов сделана значительная часть деталей самолетов, кораблей, лопасти ветряков и многие составляющие автомобилей и спортивного снаряжения высокого класса. Они подолгу — порой в течение нескольких дней — запекаются в огромных печах, и новый метод мониторинга позволяет отследить момент, когда этот энергозатратный процесс можно завершать. Тем самым экономятся электроэнергия и время, а освободившуюся раньше печь можно задействовать в других задачах.
Изобретение зарегистрировано Роспатентом. Изделия из термореактивных полимеров запекаются в крупных печах или автоклавах, особенно если речь идет, например, о массивных авиадеталях. Такие аппараты дорого стоят, и их эксплуатация сопряжена со значительными расходами, в том числе на электроэнергию: высокая температура поддерживается в большом объеме на протяжении долгого времени. Соответственно, производителю выгодно прекратить запекание, как только полимеризация будет завершена.
Но как понять, что полимер спекся? Нагрев изделия осуществляется за счет конвекционных потоков воздуха, поведение которых зависит от формы изделия и трудно поддается прогнозированию. Полимеризация может идти с разной скоростью в разных точках запекаемой детали. В итоге у производителя остается два малоприятных варианта, как действовать.
С одной стороны, можно «перебдеть» и выключить печь лишь тогда, когда уже нет сомнений, что материал полимеризован по всему объему изделия. Очевидные минусы — перерасход электроэнергии и времени.
С другой стороны, можно использовать тот или иной метод мониторинга степени полимеризации, чтобы не пропустить момент, когда изделие готово. Взятие образцов на анализ — трудозатратный процесс, который к тому же вредит изделию и требует временного выключения печи, которую затем придется разогревать заново. Если встроить в изделие оптоволоконные датчики, это может повлечь возникновение концентраций напряжений, и пострадают механические свойства армированного полимера. К тому же, потребуется весьма дорогостоящее оборудование. Последний недостаток в целом характерен и для акустического зондирования, и для других применяющихся сейчас подходов.
«Мы разработали дешевый, масштабируемый и гибкий метод мониторинга степени отверждения термореактивных полимеров, — рассказывает один из обладателей патента, ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Сергей Абаимов. — Метод предполагает добавление в полимер проводящих электрический ток частиц. Ввиду ряда сложных процессов по мере запекания меняются расстояния между проводящими частицами и туннельные потенциалы. Эти изменения отражаются на общей электропроводности нанокомпозита, причем мы можем зарегистрировать этот эффект обычным мультиметром — это стандартный и недорогой электроизмерительный прибор. Мы знаем, какой отклик датчика соответствует той или иной стадии полимеризации изделия, потому что установили референсные значения в ходе экспериментов».
Исследователи называют свое изобретение встраиваемым наносенсором, но форма реализации зависит от необходимой точности и бюджета. Наиболее совершенный вариант — это сложная наноструктура, которая изготавливается осаждением из газовой фазы и встраивается в запекаемую деталь. В зависимости от запроса производителя и особенностей изделия может использоваться один такой сенсор или сразу много. Самый простой вариант — это одно из множества веществ, проводящих электрический ток, которые могут служить добавками к полимеру: оксиды металлов, углеродные нанотрубки, графен и многие другие. Такое вещество не обязательно должно иметь наноструктурированную или наноразмерную форму — например, исследователи провели успешный эксперимент с электролитическим медным порошком.
«Своего рода бонусом становится то, что наши встраиваемые наноструктуры не просто не вредят механическим свойствам изделия, а даже немного улучшают их, — прокомментировал разработку один из обладателей патента, аспирант Сколтеха Билту Махато. — Наш метод особенно актуален для крупных деталей, которые подолгу запекают в огромных печах и автоклавах. Яркий пример — составные части кораблей и особенно самолетов, в которых доля деталей из термореактивных полимеров достигает 30–50%, например у „Аэробуса-A350“, российского МС-21 и „Боинга-787“. Отдача от оптимизации их производства очень велика».