Исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали датчик для измерения ударных волн, который реагирует в 10 раз быстрее существующих коммерческих аналогов. Разработка способствует созданию более совершенных гиперзвуковых летательных аппаратов и повысит безопасность промышленных объектов. Работа опубликована в журнале Sensors & Actuators: A. Physical.
Измерение сверхзвуковых ударных волн – одна из ключевых задач при разработке аэрокосмических систем и обеспечении безопасности сложных промышленных объектов. Однако экстремальные условия – мгновенные скачки давления и температуры – часто выводят из строя датчики или искажают их показания.
Фото пресс-службы МФТИ
Ученые МФТИ предложили решение: они создали новый композитный материал, сочетающий гибкость полимера с прочностью и термостойкостью керамики. Впервые в мире для детектирования ударных волн был применен композит на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и керамики MAX-фазы – слоистых материалов, которые, как керамика, выдерживают высокие температуры, и, как металлы, проводят ток.
«MAX-фазы – это удивительный класс материалов. Именно их уникальная слоистая структура, сочетающая прочность керамики и проводимость металлов, сделала этот прорыв возможным. Внедрение Ti₃AlC₂ (соединение титана, алюминия и углерода) в полимерную матрицу позволило нам радикально повысить термическую стабильность и долговечность сенсора, не жертвуя его свойствами», – рассказал один из авторов работы, главный научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, доктор физико-математических наук Александр Сюй.
Интеграция частиц MAX-фазы в полимерную матрицу позволила создать композитную пленку толщиной всего 90 мкм, которая сохраняет работоспособность даже при мгновенных расчетных температурах, превышающих 350°C.
Фото пресс-службы МФТИ
Испытания в сверхзвуковой ударной трубе при скоростях до 1,77 Маха (выше скорости звука) показали впечатляющие результаты. Новый датчик продемонстрировал время отклика всего 33 микросекунды – почти на порядок быстрее коммерческих аналогов (около 270 мкс).
«Создание сенсора, способного выдерживать повторяющиеся сверхзвуковые удары без потери чувствительности, было серьезным вызовом из-за резких температурных флуктуаций. Интеграция MAX-фазы обеспечила необходимую структурную целостность. В результате мы получили сенсор, который не только выдерживает эти экстремальные условия, но и реагирует на них значительно быстрее коммерческих аналогов», – поясняет первый автор исследования, аспирант МФТИ Заман Хан.
Разработка представляет интерес для аэрокосмической отрасли, где требуется точный мониторинг аэродинамических нагрузок на гиперзвуковых скоростях, а также для систем промышленной безопасности в энергетическом и химическом секторах.
По словам ученых, их разработка – яркий пример того, как фундаментальные исследования материалов трансформируются в конкретные инженерные решения. Уже сегодня интерес к проекту проявляют ведущие аэрокосмические и энергетические компании России. Решение готово к внедрению для обеспечения безопасности инфраструктуры в экстремальных условиях.
_____________________________
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
