W miarę wzrostu temperatury łańcuchy polimerowe zaczynają się rozplątywać i poruszać, natomiast gdy ciepłota naszego kompozytu osiąga temperaturę zeszklenia, łańcuchy te zaczynają się urywać, co powoduje obniżenie wytrzymałości struktury. Ale dlaczego temperatura wzrasta?

O myślących strukturach i grzankach kompozytowych

Andrzej Katunin

Od zarania ludzkości człowiek – wieczny marzyciel – patrzył z tęsknotą i ciekawością na rozświetlone gwiazdami niebo. Pragnienie poznania prowadziło go do osiągnięć nauki i techniki. Jednym z największych było zbudowanie wahadłowca „Challenger” – to ukoronowanie inżynierskiej myśli ludzkiej.

Chłodny poranek 28 stycznia 1986 roku. Świat zamarł w oczekiwaniu na kolejny start wahadłowca. Nad rozległym Kennedy Space Center widnieje potężna sylwetka „Challengera”. Jego ogrom budzi podziw, uznanie i szacunek. Duma z dzieła tysięcy najwybitniejszych inżynierów amerykańskich nie pozwala na cień zwątpienia w pełne powodzenie misji. Słychać, jak z hukiem zamyka się hermetyczny właz i załoga znika w tętniącym życiem mechanicznym organizmie. Jeszcze kilka minut do startu. Emocje wzrastają. Setki milionów mieszkańców naszej planety z napięciem wpatrują się w ekrany telewizorów. Włączają się silniki odrzutowe, oświetlając okolice jaskrawym białym światłem i… Start! Silniki rakietowe rozdzierają przestrzeń z coraz większym hukiem, pozostawiając po sobie chmury spalin. Już ponad 40 sekund „Challenger” stawia czoło siłom grawitacji i oporowi powietrza. Jeden mach – informuje pilot z pokładu. Niespodziewanie po ok. 20 sekundach dym na prawym silniku rakietowym zamienia się w płomień, wzbudzając niepokój, a następnie przerażenie widzów. Jeszcze 5 sekund i płomień przeskakuje na zbiornik paliwowy wypełniony ciekłym wodorem. Po chwili urywa się ramię łączące silnik pomocniczy ze zbiornikiem. I tragiczna 73. sekunda lotu… Lawinowe kolizje niszczą „Challengera” w ułamku sekundy. Na wysokości ponad 15 kilometrów nad ziemią następuje ogromna eksplozja, zamieniająca kolosa w deszcz odłamków i chmury dymu. Jubileuszowa 25. misja promu na orbitę stała się jedną z największych katastrof w historii kosmonautyki.

Skutki katastrofy nie zostały wykryte od razu. Przyczyną okazał się O−ring – polimerowy pierścień uszczelniający w prawym, dodatkowym silniku. Podczas startu promu zimne powietrze schłodziło pierścień uszczelniający poniżej temperatury zeszklenia, uplastyczniając materiał. Nastąpiło nagłe rozszczelnienie i zapalony gaz zaczął przedostawać się na zewnątrz powodując eksplozję.

Wydarzenie to pokazuje, jak niebezpieczna może być temperatura zeszklenia w polimerach w procesie ich eksploatacji. Temperatura zeszklenia to ta, przy której zmieniają się właściwości reologiczne tworzywa. Innymi słowy punkt przejścia ze stanu plastycznego w stan szklisty, a w przypadku niektórych polimerów – ze stanu szklistego w stan plastyczny.

Serek z rodzynkami

Polimery znalazły uznanie wśród inżynierów i naukowców dzięki swoim wyjątkowym właściwościom. Te wyjątkowe, wręcz zdumiewające własności, zwłaszcza niska masa i wytrzymałość, znacznie przewyższająca najlepsze stale i stopy metali, pozwoliły wytworzyć polimerowe kompozyty konstrukcyjne – materiały przyszłości. Obecnie polimery zajmują właściwe, honorowe miejsce w zastosowaniach w najbardziej zaawansowanych technicznie gałęziach przemysłu, m.in. w przemyśle kosmicznym, lotniczym, motoryzacyjnym. W swoich badaniach rozważam specyficzne własności takich polimerów w odniesieniu do konstrukcji inżynierskich.

Ale czym naprawdę jest ten zdumiewający materiał? Kompozyt jest materiałem utworzonym z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach z wyraźną granicą pomiędzy nimi. Przypominam sobie wykłady z materiałoznawstwa na studiach, kiedy profesor żartobliwie wyjaśniał istotę materiału kompozytowego na przykładzie buta, przecież składa się on z gumy, skóry, tekstyliów i widzimy wyraźnie granicę pomiędzy tymi składnikami, dlaczego nie kompozyt? Inną definicją był serek z rodzynkami, gdy serek stanowił matrycę kompozytu, a rodzynki – zbrojenie cząsteczkami.

Obecnie zajmuję się laminatami polimerowymi na bazie żywicy epoksydowej, kompozytami składającymi się z kilku, a czasem kilkudziesięciu warstw, dokładnie jak tort biszkoptowy. Każda warstwa zawiera zbrojenie w postaci cienkich błyszczących nitek włókna szklanego. To właśnie one przenoszą krytyczne obciążenia, pracując w ekstremalnych warunkach w najbardziej odpowiedzialnych konstrukcjach. Układając je pod różnymi kątami w poszczególnych warstwach możemy poprawić właściwości wytrzymałościowe materiału.

W dżungli łańcuchów

Żywica epoksydowa, podobnie jak inne polimery, ma swoją temperaturę zeszklenia, która jest stosunkowo niska, czasem nawet 50 stopni Celsjusza. Po jej osiągnięciu kompozyt nie nadaje się już do eksploatacji, gdyż traci swoje właściwości wytrzymałościowe. Problem wydaje się być wyczerpany, gdy przyjąć prostą zasadę, że w tych aplikacjach, gdzie temperatura pracy jest wyższa od temperatury zeszklenia, żywicę epoksydową należy zastąpić innym tworzywem, a jeżeli granica nie jest przekroczona, to można śmiało używać danego laminatu. Lecz byłoby to zbyt proste. Ponadto należy zwrócić uwagę na temperaturę samorozgrzania, zjawisko zachodzące podczas cyklicznych obciążeń laminatu. Temperatura ta powoduje samoistne rozgrzewanie się struktury pod wpływem obciążeń i może, w zależności od warunków pracy laminatu, osiągnąć niepożądaną, a nawet katastrofalną w skutkach – temperaturę zeszklenia. Na tym zjawisku skupiłem większą część swoich badań.

Aby poznać jego istotę, wyruszam z Państwem w fascynującą podróż w głąb struktury. W czasie wycieczki przez dżunglę splecionych łańcuchów polimerowych przypominam o ostrożności. Będą się poruszać! Polimer w swojej budowie jest podobny do długich nitek z rozgałęzieniami, przypominającymi połączone ze sobą komórki układu nerwowego, składa się z prostych cząsteczek – monomerów. W przypadku elastomerów (jak na przykład żywica epoksydowa) nitki te są elastyczne i w temperaturze pokojowej stanowią dziwaczny chaotyczny splot. W miarę wzrostu temperatury łańcuchy polimerowe zaczynają się rozplątywać i poruszać, natomiast gdy ciepłota naszego kompozytu osiąga temperaturę zeszklenia, łańcuchy te zaczynają się urywać, co powoduje obniżenie wytrzymałości struktury. Ale dlaczego temperatura wzrasta? Przecież był zakaz wnoszenia ognia! Z tym pytaniem udajemy się do szwedzkiego chemika, Svante Arrheniusa. W jego koncepcji kinetycznej temperatura samorozgrzania powstaje w wyniku tarcia o siebie łańcuchów polimerowych. Znamy już zatem przyczynę wzrostu temperatury. A za chwilę pod wpływem temperatury zeszklenia zaczną się zrywać łańcuchy polimerowe. Nasza wycieczka staje się niebezpieczna, więc zapraszam Państwa z powrotem do rzeczywistości.

Pół królestwa za ołówek

Wpatruję się w żółtawą prostokątną płytkę, a przez głowę przelatują myśli, jak przetłumaczyć relacje z fenomenu mechanicznego na język matematyki. Równe szeregi symboli matematycznych nie potrafią pokazać tak widowiskowych rzeczy, jak eksperyment w laboratorium, jednak nabierają sensu, gdy można nimi opisać te zjawiska.

W tym miejscu pozwolę sobie na przytoczenie słów jednej z najwybitniejszych postaci w dziejach ludzkości – Leonarda da Vinci, który mawiał, że mechanika jest rajem w naukach matematycznych, gdyż dopiero tutaj dochodzimy do owoców matematyki.

W takim nastroju wziąłem do ręki swój „naukowy”, kilkucentymetrowy ołówek i mały notes, i ruszyłem do boju z równaniami całkowymi. Oczywiście przy niektórych operacjach matematycznych korzystam z pomocy komputera, który po kilku sekundach bez trudu wyrzuca mi na ekran pierwiastki cząstkowych równań różniczkowych, na rozwiązanie których straciłbym tygodnie żmudnej pracy. Ale, niestety, maszyna ze sztuczną inteligencją nie potrafi wszystkiego. Pracuję właśnie nad agregacją termicznych warunków brzegowych, czyli ograniczników zagadnienia, aby się dowiedzieć, jak rozkłada się temperatura samorozgrzania w tej tajemniczej, żółtawej płytce. Kilka sprawnych przekształceń matematycznych z ołówkiem w ręku i na świat przychodzi nowa zależność, która – obejmując skomplikowane procesy fizyczne – stworzyła możliwość prostego opisu zagadnienia.

Materia sapiens

Postęp techniczny nieustannie dyktuje kierunki rozwoju ludzkości. Po wkroczeniu kompozytów do naszej codzienności powstają nowe możliwości i nowe zastosowania. Przedmioty codziennego użytku są lepsze, lżejsze, bardziej niezawodne, poczynając od nart i roweru, a kończąc na samolotach pasażerskich. Jednak najbardziej odpowiedzialne aplikacje wymagają od nich więcej. Na pomoc przychodzi nowy gatunek – kompozyty inteligentne: materia sapiens. Materiały, które myślą i podejmują decyzje w sytuacjach, gdy człowiek nie zdążyłby zareagować. Na pierwszy rzut oka nic nie wskazuje na różnice w porównaniu do zwykłego laminatu, ale jeżeli przypatrzyć się mu dokładniej, pod jego „skórą” stają się widoczne ciemne prostokąty. Zintegrowane ze strukturą układy elektroniczne potrafią nie tylko mierzyć, ale też wpływać na zachowanie laminatu w sposób aktywny, zawdzięczając te niezwykłe umiejętności zjawisku piezoelektryczności.

Rozpoczynamy badania. Cienkie tarcze z układami piezoelektrycznymi zaczynają wirować. Z wyprowadzonych na zewnątrz przewodów komputer odbiera sygnały pomiarowe. Ledwo zauważalne pęknięcie zaczyna propagować ku środkowi tarczy. Nic nadzwyczajnego się nie dzieje, lecz wszyscy wiedzą: jeszcze kilka minut i tarcza rozleciałaby się w kawałki. Pęknięcie propaguje dalej, a różnice są zauważalne tylko na ekranie komputera. I nagle krótki sygnał dźwiękowy i tarcza znowu wiruje równomiernie. Na ekranie opadają prążki widma, wskazujące na częstości własne drgań. Właśnie zadziałał jeden z aktuatorów piezoelektrycznych, który mierząc przemieszczenia zarejestrował wartość krytyczną i w mgnieniu oka stłumił niebezpieczne drgania giętne.

Chociaż badania dopiero się rozpoczynają, wiemy, że przyniosą wiele pożytku dla ludzkości. Wirująca tarcza jest pierwszym przybliżeniem do turbiny samolotu. To właśnie dzięki tym systemom loty będą bezpieczniejsze i bardziej komfortowe, gdyż pilot zawsze będzie wiedział, czy jest w stanie dolecieć do wyznaczonego punktu, czy niezwłocznie powinien lądować, chroniąc pasażerów i załogę.

Chociaż badania nad kompozytami polimerowymi są obecnie prowadzone w wielu ośrodkach naukowych i przemysłowych na świecie, ciągle powstają nowe wyzwania, pomysły, oczekiwania. Obserwując i opisując zachowanie tych interesujących struktur, poza zwykłą ludzką ciekawością, kieruję się realizacją swoich marzeń. Być może moje badania to mały krok w przyszłość – bezpieczną przyszłość. Bo jak w swoim czasie powiedział Félix Lope de Vega: postęp to znaczy lepsze, a nie tylko nowe.