Суббота, 13 апреля, 2024

16+

Выше, дальше, прочнее. Углеродные нанотрубки — инновация в авиастроении 

Время на чтение 7 мин.

Сергей Ковтунов — из тех, кто не останавливается на достигнутом и несмотря ни на что продолжает двигаться вперед. За его плечами бакалавриат, магистратура, учеба в Шанхайском университете «Цзяо-Тун». Сейчас он работает инженером в одной из лабораторий МАИ, преподает здесь и учится в аспирантуре кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники». И работая над своей диссертацией, он не просто занимается научными изысканиями, а создает полимерный композиционный материал с углеродными нанотрубками, чтобы применить его для конструирования гражданских самолетов. О том, что это за материал и в чем его уникальность, поговорили с Сергеем. 

Выше, дальше, прочнее. Углеродные нанотрубки — инновация в авиастроении 

— Сергей, расскажите немного о себе.

Работаю инженером в лаборатории № 2 «Композиционные материалы» НИО-101 МАИ, которая занимается вопросами прочности летательных аппаратов. Эта работа связана с конечно-элементным моделированием: мы создаем виртуальные модели тестирования, которые затем испытываем на прочность. Также испытываем агрегаты и узлы — все для того, чтобы самолеты летали. Проводим экспериментальные исследования на уровне материалов, элементарных образцов, также испытываем их на прочность. 

Кроме того, являюсь аспирантом 101-й кафедры «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ, преподаю. 

— Вы учились в Китае?

Да, после окончания бакалавриата по специальности «Нанотехнологии и микросистемная техника» я решил на этом не останавливаться и пошел дальше — поступил в совместную магистратуру МАИ и Шанхайского университета «Цзяо-Тун», выбрал направление «Проектирование элементов авиационной техники из полимерных композиционных материалов». Перешел от чистого материаловедения непосредственно к самолетам. Первый год обучения прошел в Шанхае в университете «Цзяо-Тун». Второй год — в МАИ, по окончании которого состоялась защита диплома в вузе. Потом на полгода снова приехал в Китай, чтобы получить второй документ об образовании. И снова не стал останавливаться на достигнутом — поступил в аспирантуру. 

— Что дала учеба в Китае?

Знания, полученные в МАИ, были направлены на практическое применение, обучение в Китае было построено по другому принципу — нам давали огромный объем фундаментальной теоретической информации. 

А вообще жизнь и учеба в Китае — это огромный опыт, колоссальное расширение кругозора, в том числе и благодаря путешествиям, общению с разными людьми. 

— Расскажите о вашем проекте перспективного композиционного материала: как родилась идея? 

Да, сейчас я работаю над созданием комплекса мер по разработке и внедрению полимерного композиционного материала, модифицированного углеродными нанотрубками, с высокими усталостными характеристиками для применения в конструкциях современных гражданских летательных аппаратов. 

Идея зародилась в магистратуре. В авиастроении используются такие композиционные материалы, как угле- и стеклопластики. Они обширно применены в конструкции Boeing 787, Airbus 350, МС-21. Это два вида материала, связующим элементом в которых является эпоксидная смола, армированная стеклянными либо углеродными волокнами. Я же решил изменить характеристики углепластика при помощи нанотрубок. На первый взгляд, звучит совсем не ново. Но актуальность применения такого материала действительно высока: нанотрубки более прочные и электропроводные, что позволит сделать технику, в которой они применяются, более надежной и долговечной. Мне пришлось оптимизировать производственный процесс, чтобы равномерно распределять наночастицы по объему, разработать технологию, чтобы получить высокоресурсные характеристики. И путем проб и ошибок мне удалось получить результат — и в расчетном плане, и в экспериментальном. 

— Что собой представляет материал? В чем его уникальность? И что такое углеродные нанотрубки?

Углеродные нанотрубки были изобретены в 1991 году. Сегодня они классифицируются как одностенные и многостенные. И если во всем мире производством многостенных нанотрубок занимаются очень давно, то синтез одностенных широко ведется в России — в Новосибирске.

Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой цилиндрическую полость, состоящую из атомов углерода толщиной в один атом. По сути, это длинная полая трубка, невероятно прочная на растяжение-сжатие и невероятно пластичная на изгиб. Стоит добавить лишь щепотку этого материала в полимерно-композитную смесь, и это изменит ее свойства, как механические, так и электропроводящие. То есть повысит усталостную прочность, увеличит характеристики деградации жесткости. Когда материал работает на усталость, на него воздействуют повторно-статические нагрузки, вследствие чего возникают пластические деформации внутри материала и появляются трещины. Эти трещины расползаются, и конструкция ломается. А нанотрубки, находящиеся в связующем материале — эпоксидной смоле, не только приостанавливают рост трещины, но и перенаправляют ее. И это повышает прочностные свойства материала. 

Мой эксперимент показал, что при техпроцессах, которые я использую, показатели динамической градации жесткости (насколько материал будет терять жесткость вследствие усталостного воздействия) на 260 % выше по сравнению с материалом, где нет нанотрубок. Хорошие показатели были получены и по плотности трещин. Выросла сама усталостная прочность данного материала.  

— Есть ли аналоги вашему материалу?

Аналогов много. Но в авиастроении речь идет об удельных характеристика материала: насколько долго он прослужит, насколько он будет эффективен, безопасен, экономически выгоден. 

Изготовление агрегатов из разработанного мной материала повысит топливную эффективность, увеличит ресурс конструкций. 

Выше, дальше, прочнее. Углеродные нанотрубки — инновация в авиастроении 
Классификация крыльев по силовым схемам:
1 — лонжероны; 2 — продольные стенки; 3 — стрингеры; 4 — обшивка

— В производстве каких агрегатов возможно использование данного материала?

Я предполагал использовать в конструктивной силовой схеме крыла. На укладках стрингерных панелей и лонжеронов — ответственных силовых элементах планера, высоконагруженных элементах конструкции. 

— В каких еще отраслях можно было бы использовать такой материал?

Использование нанотрубок, благодаря их уникальным электропроводящим свойствам, возможно в ионно-литиевых аккумуляторах, что повысит их емкость. В машиностроении: например, при создании спорткаров, где внедряют углепластики. Но углепластик, как и любые материалы на основе термореактивных смол, плох с точки зрения ударной стойкости. В медицине. 

— На какой стадии проект и как долго вы работали от идеи до ее воплощения?

Он первично реализован в экспериментальном плане: были изготовлены панели, испытаны на прочность, подвержены различным испытаниям в химической лаборатории. По сути, результат получен. Если я приму решение изготовить агрегат, то в дальнейшем последуют экспериментальные и расчетные исследования. Но на первичном этапе проект реализован. 

— Какие планы относительно проекта и материала?

Было бы здорово, если бы нашелся инвестор для воплощения моих задумок в реальность и доведения проекта до внедрения в авиастроении. Хотелось бы получить грант, чтобы я мог дальше проводить эксперименты. Буду ли я этим заниматься дальше? Будет зависеть от запроса и актуальности данной тематики, получения реальных результатов. 

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь