让我们谈谈科学:飞机增强复合材料结构的可视化方法


在“谈论科学”部分中,建议讨论对纳米纤维增强复合材料(复合材料)可视化方法的改进,这种方法使人们可以获取和跟踪具有真正独特属性的物质。 特别是,我们谈论的是用碳纤维(CFRP)增强聚合物,对此,监控基材内部纤维的取向非常重要。

今天,用各种纤维增强的聚合物在汽车和飞机工业中得到了积极的应用。


因此,许多制造商试图将飞机的滑翔机(机翼)转移到“聚合物纤维”生产领域。 结果,这种材料减少了飞机(无人飞行器)的总质量,同时增加了其对机械应力的抵抗力,包括在过度操纵过程中产生的轴向应力。


但是,通过观察纤维的位置,影响(定位)材料的机械和光学性能,科学家们遇到了问题。 通常,将重型X射线源用于这些目的。 但是,这种辐射最终可能会影响嵌入聚合物中的纳米纤维,从而改变其性能。 为了防止这种影响,有必要以一种更简单的方式实现过程的可视化。 一种选择是使用常规的X射线管。

瑞士研究机构Paul Scherrer(苏黎世)的科学家成功地做到了这一点。 研究人员已将小角度X射线散射(SAXS)方法改进为此类参数,以使您可以“读取”有关聚合物内部纤维的结构和位置的数据。 如前所述,这是迈上重要一步,即可以使用常规X射线机检查材料样品中纤维取向的样品,而无需使用特殊的功能。

但是为什么仅仅是第一步?


事实是,传统的SAXS方法对于实时研究非常慢。 因此,您可以在短短几个小时内扫描一厘米的材料样本,以确定飞机未来的聚合物机翼。 如果操作进行得更快,则“图片”的分辨率将非常低,以致于无法(或极其困难)研究其中的纤维方向。

为了实施更新的方法,瑞士专家在样品后方使用了一套所谓的X射线透镜。 结果,可以绘制散射图,在此基础上,计算机可以直观地解释样品的内部结构。 而且,在这种情况下,一个X射线就足够了。 更新的方法允许以每秒25帧的频率获得大约11秒的相对高分辨率的X射线投影。

科学家认为,这种方法不仅可以追踪增强聚合物中相同碳纤维的取向,而且可以对这种取向进行编程,然后在材料的最终版本中进行精确固定。 因此,样品的机械,光学,温度和其他特性可以通过程序的完全视觉控制来编程设置。 反过来,这将回答问题,例如,关于飞机滑翔机的参数在最终组装并通过所有必要测试之前是否符合技术任务。 对飞机设计师的宝贵帮助。
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