Материал, который чинит себя электричеством 1000 раз — реально? Да, и он продлит жизнь самолётов с 40 лет до 500

Исследователи из Университета штата Северная Каролина представили композитный материал, который способен самостоятельно восстанавливать повреждения более тысячи раз. Разработка нацелена на одну из самых давних и проблемных слабостей современных конструкционных материалов и, по расчетам авторов, может увеличить срок службы критически важной инфраструктуры с десятков лет до столетий.

Речь идет о волокнистых полимерных композитах, которые широко используют в авиации, энергетике и машиностроении. Крылья самолетов, лопасти ветряных турбин и элементы космических аппаратов ценят за высокую прочность при малом весе, но именно эти материалы чаще всего списывают спустя 40 лет эксплуатации. Новый подход позволяет продлить их работу до 125 лет при регулярном обслуживании раз в квартал и даже до 500 лет, если восстановление проводить раз в год.

Основная цель разработки — борьба с расслоением, или межслоевой деламинацией. Эта внутренняя форма разрушения известна инженерам почти сто лет. Она возникает, когда слои углеродного или стекловолокна начинают отделяться друг от друга внутри материала. Проблема долгое время оставалась скрытой, но именно она ограничивала срок службы композитов, которые внешне могли выглядеть целыми.

Новый материал собирают на базе обычных волокнистых композитов, но добавляют в конструкцию два ключевых элемента. Сначала на армирующие волокна с помощью 3D-печати наносят термопластичный «лечащий» слой с заданным рисунком. Уже на этом этапе материал становится в 2, а то и 4 раза устойчивее к расслоению по сравнению с традиционными решениями.

Затем внутрь композита встраивают тонкие углеродные нагревательные слои. Когда по ним пропускают электрический ток, они нагреваются и расплавляют термопласт. Расплавленный полимер затекает в трещины и микроповреждения, снова связывая разошедшиеся слои. После остывания материал практически возвращает исходные механические свойства.

Чтобы проверить, насколько система жизнеспособна, исследователи устроили материалу крайне жесткое испытание. Автоматическая установка многократно создавала в образце расслоение длиной 50 мм, после чего запускала процесс теплового восстановления. Такой цикл повторили тысячу раз за 40 дней.

Испытания показали, что устойчивость к разрушению у нового композита изначально значительно выше, чем у стандартных материалов. По крайней мере первые 500 циклов он сопротивлялся растрескиванию лучше, чем любые используемые сегодня ламинированные композиты. Даже после этого прочность снижалась медленно, без резких провалов. Хотя со временем микроскопический износ волокон и изменения в химии полимера все же сказываются на эффективности восстановления, статистическое моделирование подтверждает, что материал сохраняет работоспособность на очень длительных временных отрезках.

Авторы подчеркивают, что такая технология особенно важна там, где ручной ремонт либо слишком дорог, либо вообще невозможен. В условиях космоса, например на орбитальных платформах или в дальних миссиях, подобный композит может стать настоящим спасением. Не менее перспективным выглядит применение в авиации и ветроэнергетике, где простои и замена крупных элементов обходятся, опять же, чрезвычайно дорого.

Технология уже запатентована через стартап Structeryx Inc. и рассматривается как способ повысить надежность и долговечность сложных машин без роста затрат на обслуживание.