Аспирант МАИ создаёт полимерный материал с углеродными нанотрубками для гражданских самолётов

Аспирант кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Сергей Ковтунов создаёт полимерный композиционный материал с углеродными нанотрубками, чтобы применить его для конструирования гражданских самолётов. За его плечами бакалавриат, магистратура, учёба в Шанхайском университете Цзяо-Тун. Сейчас он работает инженером в одной из лабораторий МАИ, преподаёт, учится в аспирантуре и работает над диссертацией. Сергей рассказал о своей профессиональной траектории и новой разработке для гражданских самолётов.

Расскажите о вашей работе в МАИ.

Работаю инженером в лаборатории № 2 «Композиционные материалы» НИО-101 МАИ, которая занимается вопросами прочности летательных аппаратов. Эта работа связана с конечно-элементным моделированием: мы создаём виртуальные модели тестирования, которые затем испытываем на прочность. Также испытываем агрегаты и узлы — всё для того, чтобы самолёты 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.

После бакалавриата в МАИ вы учились в Китае. Как проходило обучение?

После окончания бакалавриата по специальности «Нанотехнологии и микросистемная техника» я решил на этом не останавливаться и пошёл дальше — поступил в совместную магистратуру МАИ и Шанхайского университета Цзяо-Тун, выбрал направление «Проектирование элементов авиационной техники из полимерных композиционных материалов». Перешёл от чистого материаловедения непосредственно к самолётам. Первый год обучения прошёл 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 учёба в Китае?

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

А вообще жизнь и учёба 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?

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 надёжной и долговечной. Мне пришлось оптимизировать производственный процесс, чтобы равномерно распределять наночастицы по объёму, разработать технологию, чтобы получить высокоресурсные характеристики. И путём проб и ошибок мне удалось получить результат — и в расчётном плане, и в экспериментальном.

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

Углеродные нанотрубки были изобретены в 1991 году. Сегодня они классифицируются как одностенные и многостенные. И если во всём мире производством многостенных нанотрубок занимаются очень давно, то синтез одностенных широко ведётся 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 её свойства, как механические, так и электропроводящие. То есть повысит усталостную прочность, увеличит характеристики деградации жёсткости. 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 её. И это повышает прочностные свойства материала.

Мой эксперимент показал, что при техпроцессах, которые я использую, показатели динамической градации жёсткости (насколько материал будет терять жёсткость 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 идёт 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.

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 ещё отраслях можно было бы использовать такой материал?

Использование нанотрубок, благодаря их уникальным электропроводящим свойствам, возможно в ионно-литиевых аккумуляторах, что повысит их ёмкость. 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 её 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 расчётные исследования. Но на первичном этапе проект реализован.

Какие у вас планы относительно проекта и материала?

Было бы здорово, если бы нашёлся 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.