«Мы использовали рентгеновскую микротомографию для создания трехмерных изображений, которые показывают ориентацию волокон», – сказал Франческо Панераи, преподаватель кафедры аэрокосмической техники UIUC. «В большинстве инженерных приложений мы используем композитные материалы, изготовленные из углеродных волокон, но разработанный нами метод может быть применен к любому виду волокна и любому виду композитного материала."
Панераи сказал, что микротомография похожа на компьютерную томографию в больнице, но с использованием рентгеновских лучей высокой энергии, которые могут обнаруживать мелкие детали в микроволокнах, которые составляют часть диаметра одного человеческого волоса.
"Изображения, показывающие, как устроены волокна, – это гораздо больше, чем просто красивые картинки – они представляют собой описание материала в трехмерной сетке.
Теперь мы можем использовать данные из трехмерной сетки для моделирования и вычисления свойств материалов, для которых в противном случае вам пришлось бы проводить сложные эксперименты », – сказал Панераи.
В первой части исследования Панераи и его коллеги протестировали три различных метода визуализации волокон. «Мы обнаружили, что, поскольку разные материалы состоят из разных архитектур, определенные методы лучше работают с некоторыми волокнами и переплетениями, чем с другими."
Например, исследование пришло к выводу, что подход повсеместного тензора структуры показал очень хорошие характеристики на прямых, случайных волокнах, но не смог точно оценить ориентацию двухстороннего плотно упакованного переплетения.
Другой метод, основанный на искусственном флюсе, продемонстрировал относительно хорошие характеристики на тканых образцах в двух направлениях, но не удался на прямых случайных волокнах.
Новый метод лучевого литья обещал стать мощным подходом к оценке ориентации волокнистых материалов с небольшой кривизной. Но его главный недостаток – высокая стоимость вычислений.
"Теперь, когда мы можем проследить направление волокон в пространстве и определить расстояние между ними, мы можем вычислить свойства материала, в данном случае его теплопроводность, в трех измерениях и получить очень точные значения.
"А чтобы экспериментально измерить проводимость, вам нужно будет провести три эксперимента, по одному для каждого направления. Используя этот новый метод, мы можем вычислять тензор и предсказывать свойства в трех направлениях гораздо быстрее и экономичнее."
Panerai сказал, что этот новый метод визуализации волокон и доказанная способность определять свойства материалов могут помочь переконструировать материалы.
«Мы можем использовать очень специфическую структуру волокна для достижения определенного свойства, такого как прочность или проводимость», – сказал он. «Теплопроводность – это то, что пытается оценить каждый, кто работает с высокотемпературными материалами. Это кажется очень простым свойством, но его очень трудно измерить, особенно для трехмерных материалов.
Вот что примечательно в силе этого метода."
Фредерико Семераро, ведущий автор исследования в исследовательском центре NASA Ames Research Center, сказал: «Расчет теплопроводности имеет решающее значение для надежного прогнозирования реакции теплового экрана.
Кроме того, разработанные методология и численные методы достаточно гибки, чтобы позволить вычислять многие свойства материалов. Всестороннее понимание поведения теплозащитного экрана в конечном итоге позволит оптимизировать его конструкцию."