Как найти дефекты в композитах из сахарного тростника

Ученые ТПУ и Италии исследуют новые композитные материалы на основе сахарного тростника

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Италии, Канады и Германии изучили теплофизические характеристики образцов новых композиционных материалов из органических волокон на основе сахарного тростника. Они могут быть перспективными для изготовления мебели и использования в строительной отрасли. Кроме того, производство подобных материалов позволит сократить использование древесины.

Сложный контроль

По словам участника исследования, научного сотрудника Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Арсения Чулкова, международный коллектив ученых работает с разными видами композитных материалов, получивших широкое распространение, например, в авиационной промышленности и в других отраслях.

Образцы композитов из жмыха сахарного тростника были изготовлены в Университете Аквила (Италия). Данные материалы, по мнению ученых, можно успешно применять для теплоизоляции строительных сооружений в странах с жарким климатом, а также для изготовления мебели. Кроме того, технология производства древесностружечных панелей, в состав которых входит жмых сахарного тростника, поможет сократить использование древесины, что позволит снизить экологическую нагрузку на леса. Однако за счет структурных особенностей качество таких материалов сложнее контролировать, т. е. выявлять дефекты, которые могут серьезно повлиять на эксплуатацию.

— Разработка композитных материалов из органических волокон на основе сахарного тростника — это сравнительно новое направление, которому посвящено пока не так много исследований. При этом существует определенная проблема контроля их качества: традиционные методы — рентген и ультразвук — не подходят из-за разнородной структуры и незначительного ослабления ионизирующего излучения. Во время транспортировки или установки такие панели могут подвергаться воздействию ударных повреждений, вызывающих расслоения. В большинстве случаев подобные дефекты невооруженным глазом выявить невозможно. Мы же для анализа ударных повреждений в образцах применяли два метода: активную инфракрасную термографию и терагерцовую визуализацию, — рассказывает Арсений Чулков.

Сила удара

Для изучения дефектов четыре образца композитов подвергали ударным повреждениям с энергией удара от 5 до 30 Дж. Затем характер повреждений оценивался как политехниками, так и зарубежными коллегами.

— Мы проводили эксперименты различными способами. Это лучший подход, который позволяет учитывать особенности и компенсировать недостатки других способов. В ТПУ проводились экспериментальные исследования теплофизических характеристик композиционных материалов с помощью активной инфракрасной термографии. Зарубежные коллеги, в свою очередь, использовали излучение в терагерцовом диапазоне с длиной волны от 0,1 до 1 мм. Такое излучение, проходя сквозь материал образцов, в дефектных и бездефектных областях ослабевает по-разному.

Результаты, полученные двумя группами, были скомбинированы, — поясняет Арсений Чулков. В итоге оба способа контроля дефектов — активная инфракрасная термография и терагерцовая визуализация — дали хорошие результаты. Они позволяют определять размер зон ударного повреждения, визуализировать то, как расслоения в материале распределяются по глубине и как температуропроводность — параметр, определяющий скорость распространения тепла в среде, — варьируется в зависимости от изменений структуры материала.

— Было определено, что в образцах, в которых удар сильнее, температуропроводность ниже. Иными словами, скорость распространения тепла в дефектных структурах за счет того, что там есть расслоения, ниже. Это хороший параметр, позволяющий оценить структуру материала в зависимости от степени его дефектности. Так, температуропроводность образцов в зависимости от энергии удара варьировалась от 4 до 24 %, — говорит политехник.

Нейронные сети в помощь неразрушающему контролю

Отметим, что исследование проводили в рамках программы «Постдок в ТПУ — как аналог докторантуры», в том числе направленной на повышение конкурентоспособности ТПУ. Также в рамках проекта международный коллектив ученых опубликовал статью «Определение теплофизических характеристик композиционных образцов из сахарного тростника с использованием активного теплового контроля и терагерцовой визуализации» в журнале Infrared Physics and Technology.

Кроме того, часть работ была выполнена при поддержке гранта РНФ для молодых ученых «Разработка методики и программного обеспечения инфракрасного термографического контроля изделий из композиционных материалов авиационной и ракетно-космической отрасли с автоматизированной идентификацией дефектов». В рамках этого гранта политехник создает программный модуль для автоматизации процесса обработки экспериментальных результатов.

— Идея проекта заключается в создании программы, которая будет оценивать глубину, площадь и координаты дефектов без участия оператора-термографиста. При этом принцип работы программы основан на том, насколько сильно отличаются теплофизические характеристики образца в месте дефекта. Эти отличия определяют по изменению температуропроводности и тепловой инерции. Дело в том, что существует проблема человеческого фактора: сейчас обработку данных контроля проводят вручную, поэтому существуют определенные нюансы, которые влияют на конечный результат. Использование в разрабатываемой программе искусственных нейронных сетей направлено на решение этой проблемы, — говорит ученый.

Подготовила Наталья Каракорскова