เครื่องบินรบ

นักวิจัยจาก Rensselaer Polytechnic Institute ได้พัฒนาเทคนิคใหม่ง่ายๆ ในการระบุและซ่อมแซมรอยร้าวขนาดเล็กที่อาจเป็นอันตรายในปีกเครื่องบินสมรรถนะสูงและโครงสร้างอื่นๆ อีกมากมายที่ทำจากโพลิเมอร์คอมโพสิต นักวิจัยสามารถระบุตำแหน่งและความยาวของรอยร้าวที่เกิดจากความเค้นในโครงสร้างคอมโพสิตได้โดยการใส่โพลิเมอร์เข้ากับท่อนาโนคาร์บอนที่นำไฟฟ้าได้ จากนั้นตรวจสอบความต้านทานไฟฟ้าของโครงสร้าง เมื่อพบรอยแตกแล้ว วิศวกรสามารถส่งประจุไฟฟ้าสั้นๆ ไปยังบริเวณนั้นเพื่อทำให้ท่อนาโนคาร์บอนร้อนขึ้น และในทางกลับกันจะละลายสารรักษาที่ฝังอยู่ซึ่งจะไหลเข้าไปและปิดผนึกรอยแตกโดยมีความแข็งแรงกลับคืนมา 70 เปอร์เซ็นต์ การตรวจจับและซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดจากความล้าแบบเรียลไทม์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยของส่วนประกอบโครงสร้างในระบบวิศวกรรมที่หลากหลาย อ้างอิงจากผู้ตรวจสอบหลัก Nikhil A. Koratkar รองศาสตราจารย์ในภาควิชาเครื่องกล การบินและอวกาศของ Rensselaer และวิศวกรรมนิวเคลียร์ รายละเอียดของโครงการระบุไว้ในเอกสารเรื่อง “In situ health monitoring and repair in composites using carbon nanotube additives” ซึ่งเผยแพร่ทางออนไลน์ในสัปดาห์นี้โดย Applied Physics Letters นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Rensselaer Wei Zhang และ Varun Sakalkar เป็นผู้ร่วมเขียนบทความ ทีมงานได้ทำงานในโครงการมานานกว่า 18 เดือน ความล้มเหลวส่วนใหญ่ในโครงสร้างทางวิศวกรรมโดยทั่วไปเกิดจากไมโครแคร็กที่เกิดจากความล้าซึ่งแพร่กระจายไปยังสัดส่วนที่เป็นอันตราย และในที่สุดก็เป็นอันตรายต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้าง โคราชการ์กล่าว งานวิจัยของเขากำลังหาทางแก้ปัญหานี้ด้วยโซลูชันอันหรูหราที่ช่วยให้สามารถวินิจฉัยได้แบบเรียลไทม์ และไม่มีอุปกรณ์เพิ่มเติมหรือราคาแพง ทีมงานของโคราชสร้างโครงสร้างจากอีพ็อกซี่ทั่วไป ซึ่งเป็นชนิดที่ใช้ในการสร้างทุกอย่างตั้งแต่โครงน้ำหนักเบาของปีก เครื่องบิน รบไปจนถึงอุปกรณ์และส่วนประกอบนับไม่ถ้วนที่ใช้ในการผลิตและอุตสาหกรรม แต่ได้เพิ่มท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังหลายชั้นเพียงพอเพื่อให้คิดเป็น 1 เปอร์เซ็นต์ของโครงสร้างทั้งหมด น้ำหนัก. ทีมงานได้ผสมอิพอกซีเหลวแบบกลไกเพื่อให้แน่ใจว่าท่อนาโนคาร์บอนจะกระจายตัวอย่างเหมาะสมทั่วทั้งโครงสร้างในขณะที่ทำให้แห้งในแม่พิมพ์ นักวิจัยยังได้แนะนำชุดสายไฟในรูปแบบของกริดซึ่งสามารถใช้ในการวัดความต้านทานไฟฟ้าและใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุมกับโครงสร้าง ด้วยการส่งกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยผ่านท่อนาโนคาร์บอน ทีมวิจัยสามารถวัดความต้านทานไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดบนตะแกรงลวดได้ จากนั้นพวกเขาสร้างรอยร้าวเล็กๆ ในโครงสร้าง และวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าระหว่างจุดกริดที่ใกล้ที่สุดสองจุด เนื่องจากปัจจุบันกระแสไฟฟ้าต้องเคลื่อนที่ไปรอบๆ รอยร้าวเพื่อเดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งเป็นความยากลำบากของกระแสไฟฟ้าที่ต้องเผชิญเมื่อเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งจึงเพิ่มขึ้น ยิ่งรอยแตกยาวขึ้นเท่าใด ความต้านทานไฟฟ้าระหว่างจุดทั้งสองก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น โคราชมั่นใจว่าวิธีนี้จะได้ผลเช่นเดียวกันกับโครงสร้างขนาดใหญ่กว่ามาก เนื่องจากท่อนาโนมีอยู่ทั่วไปในโครงสร้าง เทคนิคนี้จึงสามารถใช้ตรวจสอบส่วนใดๆ ของโครงสร้างได้โดยทำการวัดความต้านทานอย่างง่ายโดยไม่จำเป็นต้องติดตั้งเซ็นเซอร์ภายนอกหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน “ข้อดีของวิธีนี้คือ ท่อนาโนคาร์บอนมีอยู่ทุกที่ เซ็นเซอร์เป็นส่วนสำคัญของโครงสร้างจริง ๆ ซึ่งช่วยให้คุณตรวจสอบส่วนใด ๆ ของโครงสร้างได้” โคราชกล่าว “เราได้แสดงให้เห็นว่าวิทยาศาสตร์ระดับนาโน หากนำไปใช้อย่างสร้างสรรค์ จะสามารถสร้างความแตกต่างในด้านวิศวกรรมและโครงสร้างขนาดใหญ่ได้อย่างแท้จริง” โคราชกล่าวว่าในที่สุดวิธีการตรวจจับรอยร้าวแบบใหม่ควรจะคุ้มค่ากว่าและสะดวกกว่าเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ระบบเซ็นเซอร์ของเขายังสามารถใช้งานได้แบบเรียลไทม์ขณะที่อุปกรณ์หรือส่วนประกอบถูกใช้งาน ในขณะที่เซ็นเซอร์โซนิคเป็นหน่วยภายนอกที่ต้องใช้เวลาอย่างมากในการสแกนพื้นที่ผิวทั้งหมดของโครงสร้างที่อยู่นิ่ง นอกจากนี้ระบบของ Koratkar ยังมีชุดซ่อมในตัว เมื่อตรวจพบรอยร้าว บริษัทโคราชสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ไหลผ่านท่อนาโนคาร์บอน ณ จุดใดจุดหนึ่งในกริด แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นนี้สร้างความร้อน ซึ่งจะละลายสารรักษาที่มีขายตามท้องตลาดซึ่งผสมอยู่ในอีพ็อกซี่ สารรักษาที่ละลายจะไหลเข้าสู่รอยแตกและเย็นลง ทำให้รักษารอยแตกได้อย่างมีประสิทธิภาพ โคราชแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างที่ได้รับการซ่อมแซมเหล่านี้มีความแข็งแรงประมาณร้อยละ 70 ของโครงสร้างเดิมที่ไม่มีการแตกร้าว – แข็งแรงพอที่จะป้องกันความล้มเหลวของโครงสร้างที่สมบูรณ์หรือเสียหายได้ วิธีนี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการต่อสู้กับรอยแตกขนาดเล็กทั้งสองแบบ รวมถึงรูปแบบความเสียหายทางโครงสร้างที่พบได้น้อยซึ่งเรียกว่าการหลุดร่อน “สิ่งที่แปลกใหม่เกี่ยวกับแอปพลิเคชันนี้คือ เรากำลังใช้ท่อนาโนคาร์บอน ไม่เพียงแต่ตรวจจับรอยร้าว แต่ยังรักษารอยร้าวด้วย” เขากล่าว “เราใช้ท่อนาโนเพื่อสร้างความร้อนเฉพาะจุด ซึ่งจะละลายสารสมานแผล และนั่นคือสิ่งที่ช่วยรักษารอยร้าว” Koratkar กล่าวว่าเขามองเห็นระบบใหม่สำหรับการตรวจจับรอยร้าวที่จะรวมเข้ากับระบบคอมพิวเตอร์ในตัวของเครื่องบินรบหรืออุปกรณ์ชิ้นใหญ่ในที่สุด ระบบจะช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างได้แบบเรียลไทม์ และรอยแตกขนาดเล็กหรือการหลุดร่อนจะเห็นได้ชัดโดยการกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าที่จุดใดจุดหนึ่งของโครงสร้าง ระบบควรช่วยเพิ่มอายุการใช้งาน ความปลอดภัย และความคุ้มค่าของโครงสร้างพอลิเมอร์ ซึ่งมักใช้แทนโลหะเมื่อน้ำหนักเป็นปัจจัยหนึ่ง นอกจากนี้ยังมีหลักฐานว่าท่อนาโนคาร์บอนมีบทบาทเชิงรับในการยับยั้งอัตราการเจริญเติบโตของไมโครแคร็กในโครงสร้างพอลิเมอร์ ซึ่งเป็นหัวข้อของเอกสารที่โคราชคาดว่าจะเผยแพร่ในอนาคตอันใกล้นี้ ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพระบบ ขยายขนาดโครงสร้างให้ใหญ่ขึ้น และพัฒนาเทคโนโลยีสารสนเทศใหม่เพื่อรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลความต้านทานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากกริดฝังตัวและท่อนาโนคาร์บอนฝังตัวได้ดียิ่งขึ้น โครงการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่นี้ได้รับทุนบางส่วนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและกองทัพสหรัฐฯ