Объединенная исследовательская группа университетов внедряет углеродные нанотрубки в печатные пластиковые конструкции, чтобы отслеживать развитие повреждений под нагрузкой.

Исследователи из Университета Глазго и Сиднейского университета использовали метод медицинской визуализации — электроимпедансную томографию (ЭИТ) — для картирования повреждений по мере их развития в 3D-печатных решетчатых структурах.

Эта работа стала первым зарегистрированным случаем использования ЭИТ in situ для мониторинга повреждений в 3D-печатных архитектурных метаматериалах. Она описана в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.

Команда исследователей вставила углеродные нанотрубки в пластиковые решетки, напечатанные с определенным расположением перемычек и промежутков. Они пропускали ток через нанотрубки и измеряли разность потенциалов с помощью внешних электродов, растягивая 48-миллиметровые образцы до разрушения. Алгоритм преобразовывал изменения напряжения в карты проводимости в режиме реального времени.

Локализация повреждений

На картах показано, где возникали и распространялись повреждения, в том числе вдали от электродов, и где они накапливались до разрушения решетки.

Непосредственные наблюдения подтвердили расположение повреждений, а карты показали, что повреждения находились примерно в одной стойке от их фактического положения. Исследователи также создали крошечные трещины в некоторых стойках и проследили за их распространением при увеличении нагрузки.

Работа основана на разработанной в 2024 году в лаборатории устойчивых многофункциональных материалов и аддитивного производства (Sustainable Multifunctional Materials and Additive Manufacturing, SM2AM) Университета Глазго системе моделирования, которая предсказывала, как меняется проводимость решетки при растяжении или сжатии.

«В ходе этого исследования мы разработали новый способ отображения электрических изменений во всей 3D-печатной решетчатой структуре в режиме реального времени, — говорит профессор Шанмугам Кумар из Инженерной школы Джеймса Уатта при Университете Глазго, руководитель лаборатории SM2AM.

— Результат чем-то похож на МРТ: как МРТ может показать, что происходит во всем теле, так и наш подход позволяет увидеть, как реагируют разные части решетки при нагрузке».

«Традиционные измерения могут показать, что происходит в конкретном месте материала, или дать общее усредненное представление о состоянии всей конструкции. Однако они не могут детально показать, где развиваются повреждения и как они распространяются по всей конструкции.

Наше исследование показывает, что, сочетая тщательно спроектированные решетчатые структуры с ЭИТ, мы можем получить гораздо более полную картину поведения конструкции, в том числе обнаружить повреждения до того, как конструкция окончательно выйдет из строя. Специально разработанные решетчатые структуры позволяют контролировать точность измерений.

«Этот метод может найти применение в таких областях, как мониторинг состояния конструкций и другие передовые инженерные системы, хотя для практического применения технологии необходимы дальнейшие разработки и масштабирование».

Источник