В современном авиастроении важную роль играют бортовые электропровода, которые обеспечивают работу множества систем воздушного судна. Однако со временем, под воздействием высоких температур и кислорода, изоляционные материалы, защищающие провода, начинают разрушаться. Этот процесс называется термическим окислением. Учёные давно ищут способы продлить срок службы таких изоляционных материалов, и команда российских исследователей сделала значительный шаг в этом направлении.

В исследовании под руководством Михаила Боева, профессора кафедры ФТЭМК НИУ «МЭИ», подробно изучено, как и почему происходит разрушение изоляции авиационных проводов. Главной проблемой является то, что полиэтилен, из которого делают изоляцию, со временем начинает разрушаться под действием кислорода, особенно при повышенных температурах. Этот процесс приводит к образованию трещин, что может вызвать поломки проводов и отказ систем самолёта.

Как работают полимеры

Полимерные материалы, такие как полиэтилен (ПЭ), имеют сложную структуру, в которой сочетаются кристаллические и аморфные (менее упорядоченные) области. Такие материалы обладают хорошими механическими и электрическими свойствами, что делает их идеальными для использования в электропроводах. Однако под воздействием кислорода начинается процесс, известный как термическое окисление, в результате которого структура полимера разрушается. В статье подробно рассматривается механизм этой реакции, где ключевую роль играют свободные радикалы — активные частицы, которые инициируют цепную реакцию разрушения макромолекул полимера.

Антиоксиданты — ключ к долговечности

Для борьбы с этим процессом в состав изоляционных материалов добавляются антиоксиданты — специальные вещества, которые замедляют окисление. В исследовании учёные показали, что со временем эти добавки расходуются, что приводит к ускорению процесса разрушения полимера. Для определения того, насколько изоляция способна противостоять окислению, используется показатель под названием "температура начала окисления" (Tно) — температура, при которой начинается интенсивное разрушение полимера.

Чем больше антиоксидантов остаётся в материале, тем выше эта температура. По мере расхода антиоксидантов Tно снижается, что сигнализирует о начале активного разрушения изоляции. Этот показатель стал ключевым в прогнозировании срока службы проводов.

Методы анализа: как предсказать срок службы проводов?

Для определения срока службы изоляции учёные использовали методы термического анализа, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Этот метод позволяет измерять, как изменяется энтальпия (тепловое состояние) материала при его нагреве. Когда антиоксиданты исчерпаны, начинается активный процесс окисления, сопровождающийся выделением тепла, что фиксируется приборами.

Кроме того, в статье рассматриваются математические модели, описывающие кинетику разрушения полимеров. Эти модели включают уравнения, которые позволяют вычислять, как меняется концентрация антиоксидантов и как это влияет на срок службы изоляции. Например, уравнение кинетики процесса окисления связывает скорость реакции с содержанием антиоксидантов, температурой и другими параметрами, что позволяет прогнозировать, когда изоляция потеряет свои защитные свойства.

Практическое значение исследований

Результаты этих исследований могут применяться для прогнозирования срока службы авиационных проводов и других изолированных систем. Теперь инженеры могут более точно предсказывать, когда потребуется замена проводов, основываясь на показателях Tно и других параметрах термического анализа. Это повышает безопасность эксплуатации самолётов и снижает затраты на их обслуживание.

Также стоит отметить, что предложенные методы можно применять и в других отраслях, где используются изоляционные материалы на основе полиэтилена и других полимеров. Например, в энергетике, при производстве кабелей для электросетей, или в автомобилестроении.

Таким образом, проведённое исследование не только способствует развитию авиационной промышленности, но и открывает новые возможности для повышения надёжности полимерных материалов в целом.

Научная публикация: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-3-11-16