Учёные из Сколтеха разработали технологию мониторинга дефектов конструкций, изготовленных из полимерных композиционных материалов (крылья самолётов, лопасти ветряков, пролёты мостов). Технология основана на внедрении в композит между слоями с волоконным армированием тонкого слоя углеродных нанотрубок, которые и служат датчиком дефектов. При этом толщина нанотрубок настолько мала, что толщина, например, обшивки самолёта, не изменяется, и не нужно заново проектировать деталь при внедрении датчика.

По изменению электропроводности этого слоя можно понять, где в детали возник дефект, а измерения можно проводить даже во время полёта. Чтобы снимать сигнал с датчика, по его периметру заложили электроды (в модели), с которых можно считывать электрический потенциал. Поскольку электродов не два, а много, датчик получается не одномерным, а двумерным. Такой подход называется томографией электрического сопротивления и представляет собой более эффективную и одновременно дешёвую замену оптоволоконным датчикам.

У оптоволоконных датчиков есть ряд недостатков. Во-первых, оборудование для обработки сигнала стоит дорого. Во-вторых, датчик одномерный, то есть он регистрирует лишь те дефекты, которые появляются на пути оптоволокна. В-третьих, внедрение такого датчика само по себе может ухудшить прочность материала.

«Полимерный композиционный материал представляет собой некоторое количество слоёв из углеволокна или стекловолокна, пропитанных эпоксидной смолой и спечённых друг с другом. Диаметр волокон — 5–10 микрометров, а диаметр оптоволокна — 50–150 микрометров. Если увеличить эти размеры для наглядности в тысячу раз, получится, что гору карандашей залили клеем и внедрили в неё что-то вроде двухлитровой бутылки газировки. Трудно заложить такой датчик без вреда для механических свойств материала, чтобы на нём не возникли концентрации напряжений, — пояснил руководитель исследования ведущий научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха Сергей Абаимов. — Диаметр же нанотрубок — десятки нанометров, что-то вроде нити в нашем сравнении. Её всегда можно спрятать в коробке с карандашами, так что она не будет заметна».

С целью проведения эксперимента учёные создали цифровой двойник полимерного композиционного материала с 2D-датчиком и успешно испытали на нём технологию мониторинга целостности конструкции. Исследователи проверили на цифровом двойнике материала, можно ли по изменению электрического сигнала в слое нанотрубок находить появившиеся в композите дефекты. Оказалось, что можно. Двухмерный датчик охватывает гораздо более широкую зону измерений, чем, например, одномерное оптоволокно, но его сигнал нужно уметь расшифровывать. В планах учёных — применить разработанные алгоритмы в эксперименте на реальном объекте, например фрагменте крыла самолёта, и внедрять технологию в авиастроении.