В России впервые разработали способ диагностики скрытых повреждений стеклопластика по акустическим сигналам. Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) установили, какие именно звуки издают внутренние дефекты материала, и создали базу для систем раннего предупреждения аварий, сообщили интернет-газете «ЖУК» в пресс-службе вуза.
Стеклопластик — материал, который в пять раз легче стали, не ржавеет и устойчив к химикатам. Из него делают несущие балки мостов, лопасти ветрогенераторов, детали самолётов и поездов, корпуса лодок, трубы и даже спортивный инвентарь. Однако у материала есть уязвимость: при ударе на поверхности остаётся лишь небольшая вмятина, тогда как внутри начинается расслоение волокон и смолы. Конструкция теряет прочность, но визуально это незаметно.
Традиционные методы контроля — ультразвук, рентген или тепловизоры — требуют точного знания места дефекта и сложны в применении на крупных объектах. Учёные ПНИПУ предложили использовать метод акустической эмиссии. Датчики, закреплённые на поверхности, улавливают звуки, которые издаёт материал в момент образования трещины или расслоения.
Исследователи системно повреждали образцы, нанося вмятины и царапины, и фиксировали сигналы. Затем образцы растягивали до разрыва и снова записывали звуки. В результате удалось сопоставить каждый тип повреждения с конкретным диапазоном частот.
«Мы установили четкие соответствия: глухой треск в диапазоне 50–120 кГц означает, что в смоле появилась микротрещина. В таком случае у нас есть время — мы можем занести этот участок в список наблюдения и контролировать его в ходе плановых проверок, не останавливая эксплуатацию конструкции. Отчетливый щелчок на 180–350 кГц — это уже сигнал о начале опасного расслоения. Он значит, что повреждение перешло в активную фазу, и необходимо срочно планировать ремонт, чтобы остановить разрушение. Наконец, резкий высокочастотный сигнал на 400–600 кГц — это финальный сигнал, означающий разрыв несущих волокон. Для нас это равнозначно экстренной ситуации: элемент исчерпал ресурс, и дальнейшая его эксплуатация недопустима», — объяснила Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
Дмитрий Лобанов, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук, добавил, что в ходе эксперимента образцы повреждали специальным оборудованием, моделируя дефекты. В момент воздействия сверхчувствительные датчики фиксировали каждый щелчок и треск внутри материала. Статья с результатами исследования опубликована в научном журнале «Проблемы прочности и пластичности». В дальнейшем разработка позволит оснащать критически важные объекты автономными сетями датчиков, которые в реальном времени будут рассчитывать остаточный ресурс конструкций и автоматически предупреждать службы эксплуатации об опасности.
Это не первая разработка пермских учёных в области диагностики композитных материалов. Ранее в ПНИПУ создали программу, которая находит скрытые дефекты в трубах из армированного пластика ещё на этапе производства. Алгоритм позволяет выявлять невидимые повреждения до того, как изделие поступит в эксплуатацию.