Nowoczesne samoloty coraz częściej powstają z lekkich i wytrzymałych kompozytów. Problem w tym, że uszkodzenia tych materiałów mogą przez długi czas rozwijać się niewidocznie. Dr hab. inż. Andrzej Katunin, profesor na Politechnice Śląskiej i wiceprzewodniczący Akademii Młodych Uczonych  PAN, bada, jak wykrywać je, zanim staną się zagrożeniem dla bezpieczeństwa konstrukcji

Kompozyty są lekkie i wytrzymałe, dlatego coraz częściej zastępują tradycyjne materiały w samolotach. Muszą jednak wytrzymywać tysiące godzin pracy, drgania, zmiany temperatury i cykliczne obciążenia. Uszkodzenia często rozwijają się wewnątrz elementu, przez długi czas pozostając niewidoczne. –  Nie da się ich zobaczyć gołym okiem, bo znajdują się pod powierzchnią – wyjaśnia w rozmowie z Academią prof. Katunin.

Na Politechnice Śląskiej kieruje grupą Structural Integrity Assessment. Bada trwałość konstrukcji i procesy zachodzące w kompozytach jeszcze zanim pojawi się widoczne pęknięcie. Interesuje go moment, w którym element nadal wygląda poprawnie, ale w jego wnętrzu zaczyna już rozwijać się uszkodzenie.

Zajrzeć do wnętrza i niczego nie zniszczyć

Pierwsza część tej pracy obejmuje badania nieniszczące. Pozwalają sprawdzać stan elementu bez rozcinania, łamania czy pobierania próbek. – Wykorzystując różne zjawiska fizyczne, zaglądamy do wnętrza materiału, żeby wyłapać uszkodzenia – mówi prof. Katunin.

Druga część badań dotyczy zmęczenia materiałów. Element konstrukcyjny rzadko ulega zniszczeniu dlatego, że jednorazowo zadziałała na niego bardzo duża siła. Znacznie częściej decydują o tym tysiące lub miliony powtarzających się obciążeń. – Możemy na przykład zginać materiał w określonych odstępach czasu i sprawdzać, ile takich cykli wytrzyma – tłumaczy naukowiec.

Zanim pojawi się pęknięcie widoczne gołym okiem, w kompozycie zachodzą znacznie mniejsze zmiany. Można byłoby je dostrzec pod mikroskopem, ale wymagałoby to przygotowania próbki, a często również jej uszkodzenia. W przypadku części lotniczych takie rozwiązanie zwykle nie wchodzi w grę.

– To, co robimy, polega na zaglądaniu do wewnątrz materiału w sposób nieniszczący. Szukamy metody, która pozwoli zobaczyć uszkodzenia na możliwie wczesnym etapie – mówi prof. Katunin.

Materiał, który sam pokazuje problem

Do wykrywania ukrytych uszkodzeń można wykorzystać różne zjawiska fizyczne. Jednym z nich jest promieniowanie rentgenowskie, działające podobnie jak prześwietlenie medyczne. Innym są ultradźwięki. – Jeżeli fala odbija się wcześniej, niż powinna, to znaczy, że gdzieś po drodze napotkała uszkodzenie – wyjaśnia badacz.

Szczególne miejsce w jego pracy zajmuje termografia i związany z nią efekt samorozgrzania. Prof. Katunin zajmuje się nim od ponad 18 lat. Wraz z zespołem opracował i opatentował technikę badań nieniszczących opartą właśnie na tym zjawisku.

W klasycznych badaniach termograficznych element trzeba najpierw ogrzać z zewnątrz, na przykład za pomocą lampy lub lasera. Zespół Katunina postanowił podejść do problemu inaczej. Zamiast dostarczać ciepło, pobudza badany element do drgań.

–  Dzięki drganiom materiał sam generuje ciepło i rozgrzewa się w określonych miejscach. My rejestrujemy tę odpowiedź cieplną za pomocą kamery termowizyjnej – mówi naukowiec. W ten sposób konstrukcja może sama ujawnić miejsca, w których zaczyna rozwijać się problem.

Prof. Katunin zajmuje się głównie kompozytami o osnowie polimerowej wzmacnianymi włóknami syntetycznymi lub naturalnymi. Kierował między innymi pracami nad materiałami chroniącymi elementy statków powietrznych przed skutkami uderzeń pioruna. W takich zastosowaniach liczy się nie tylko wytrzymałość i masa, ale także przewodność elektryczna, przewodność cieplna oraz odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. – Poza tym, że są lekkie i wytrzymałe, muszą spełniać jeszcze szereg innych wymagań – mówi.

Jak skrócić pięć lat do kilku tygodni

Katunin jest z wykształcenia mechanikiem. Pierwsze badania, jeszcze jako student, prowadził na Politechnice Białostockiej, gdzie zajmował się modelowaniem matematycznym drgających płyt. Później związał się z Politechniką Śląską, rozwijając badania nad kompozytami, diagnostyką materiałów i ich trwałością.

Jednym z problemów, nad którymi dziś pracuje jego zespół, są badania zmęczeniowe najbardziej wytrzymałych kompozytów lotniczych. W takich materiałach interesuje badaczy wytrzymałość gigacyklowa, liczona w miliardach cykli obciążenia. Klasyczny test może trwać nawet pięć lat. – To nieekonomiczne i bezsensowne, bo zanim jeden test się skończy, cała dziedzina zdąży pójść do przodu – mówi prof. Katunin.

Dlatego jego zespół wspólnie z zespołem niemieckim z Uniwersytetu we Fryburgu rozwija przyspieszone testy wykorzystujące drgania ultradźwiękowe. Dzięki nim czas badań można skrócić z kilku lat do dwóch lub trzech tygodni. Problem polega na tym, że przy tak wysokich częstotliwościach kompozyt silnie się nagrzewa, co wpływa na wyniki pomiarów. – Stosujemy chłodzenie, ale i tak temperatura rośnie – mówi naukowiec.

Badacze próbują dziś ustalić, jak przełożyć wyniki takich przyspieszonych testów na rzeczywiste warunki pracy konstrukcji. Jeśli się to uda, nowe materiały będzie można oceniać znacznie szybciej, bez utraty wiarygodności wyników.

Od samolotów do geometrii fraktalnej

Choć większość pracy profesora ma praktyczny charakter, Katunin podkreśla, że równie ważne są dla niego badania podstawowe. – Frajda polega na tym, że odkrywamy nowe zjawiska fizyczne – mówi.

Drugim obszarem jego zainteresowań jest geometria fraktalna. Bada między innymi fraktale hiperzespolone, czyli wielowymiarowe struktury matematyczne. Traktuje je jako intelektualną przeciwwagę dla codziennych problemów inżynierskich. – Kiedy chcę odpocząć od przyziemnych spraw, zwracam się ku fraktalom i geometrii fraktalnej. Tam mogę polecieć w czystą abstrakcję – mówi.

Stawka jego badań jest konkretna. Im wcześniej uda się wykryć ukryte uszkodzenia i szybciej ocenić trwałość nowych materiałów, tym łatwiej projektować bezpieczne konstrukcje. – Spodziewam się, że nasze rozwiązania kiedyś przełożą się na to, że będziemy latać jeszcze bezpieczniej – mówi prof. Katunin.