​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

Похожие новости

  • 13/02/2019

    Супергидрофильное покрытие для индивидуальных имплантатов предложили ученые ТПУ

    ​Ученые Томского политехнического университета вместе со своими германскими коллегами из университета Дуйсбург-Эссен предложили использовать сферические наночастицы кальций-фосфата в качестве покрытия для имплантатов из сплава ВТ6.
    585
  • 20/08/2019

    Физики из Франции, США и РФ изучат формирование и спектры озона

    Команда физиков из Франции, США, и России (Томск, ТГУ) исследует механизмы формирования и распада озона (O3), его характеристики и свойства на молекулярном уровне при взаимодействии с радиацией. Полученные результаты помогут осуществлять контроль качества озонового слоя, который участвует в формировании атмосферы и климата Земли, влияет на качество воздуха, охраняет планету от жесткого ультрафиолетового излучения.
    231
  • 05/03/2018

    ​Ученые ТГУ создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул

    ​Ученые кафедры оптики и спектроскопии физического факультета ТГУ с коллегами из Швеции и Финляндии создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул. Благодаря этому алгоритму можно вычислять оптические, люминесцентные (светимость, квантовый выход флуоресценции) свойства молекул и веществ с использованием высокоточных методов квантовой химии.
    1056
  • 13/09/2018

    Физики научились следить за пучками частиц, не замедляя их

    ​Международный коллектив ученых, в который вошли исследователи из Томского политехнического университета, добился прямого наблюдения так называемого дифракционного излучения Вавилова — Черенкова в видимом диапазоне.
    523
  • 12/10/2016

    Томские ученые испытывают новые стекла для космических спутников

    ​Сотрудники НИИ ПММ ТГУ проводят испытания покрытий, созданных для защиты иллюминаторов, линз и зеркал космических аппаратов от эрозии. При помощи легкогазовой баллистической установки экспериментальные образцы обстреливают микрочастицами порошка железа со скоростью 5-8 километров в секунду.
    2136
  • 28/10/2019

    Эксперимент на синхротроне поможет улучшить арсенид галлиевые сенсоры

    ​Радиофизик Анастасия Лозинская провела эксперимент на синхротроне Diamond Light Source в лаборатории Резерфорда — Эплтона в Великобритании. Она облучала пучком синхротронного излучения сенсор на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr), созданный в ТГУ.
    56
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    753
  • 05/12/2017

    Ученые ТГУ приняли участие в международной конференции, посвященной высокоэнергетическим материам

    ​В Японии на базе Университета Тохоку (г. Сендай) прошла ХIII международная конференция HEMs-2017 "Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение".
    1058
  • 11/04/2017

    Томские ученые в ЦЕРНе сузили зону поиска частицы-посредника между видимой и невидимой Вселенной

    ​Ученым Физико-технического института Томского политехнического университета и их коллегам из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) за год удалось примерно на 25% сузить зону поиска темного фотона — частицы-посредника между видимым миром и темной материей — невидимой частью нашей Вселенной, влияющей на движение звезд и галактик.
    1349
  • 11/10/2016

    Алмазы, выращиваемые в ТПУ, могут быть использованы для Большого адронного коллайдера

    ​Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете.
    1913