Dr hab. inż. Andrzej Katunin o kompozytach przyszłości

Przyszłość już nastała
Rozmowa z dr. hab. inż. Andrzejem Katuninem, laureatem Nagrody Naukowej POLITYKI w dziedzinie nauk technicznych, o przewadze inżynierów nad amazońskimi pajączkami.
Dr hab. inż. Andrzej Katunin
Leszek Zych/Polityka

Dr hab. inż. Andrzej Katunin

Materiał kompozytowy wykonany z włókna węglowego
TobiasKlaus/Wikipedia

Materiał kompozytowy wykonany z włókna węglowego

Polityka

Wbrew powszechnym mniemaniom kompozyty, czyli – jak mówi ciocia Wikipedia – „materiały o strukturze niejednorodnej, złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach”, nie są wynalazkiem ostatnich dziesięcioleci. Na kompozytach opierały się – lub im się opierały – całe cywilizacje. Już tysiące lat temu z cegieł złożonych z gliny i siana stawiano konstrukcje, które nie rozpływały się po pierwszym deszczu. W Mezopotamii znano tajemnicę sklejki. Kompozytowe łuki dały armii Czyngis-chana przewagę militarną tak potężną, że na wieki wstrzymała rozwój nauki i sztuki na połaciach Azji Środkowej i nie tylko.

Wynalezienie plastiku i włókna szklanego, pary jakby stworzonej dla siebie, dało początek nowej gałęzi przemysłu. Wykorzystywano je już podczas drugiej wojny światowej, a po niej stały się częścią przemysłowego mainstreamu. Kompozyty idealnie nadawały się do budowania samolotów, łodzi, szybkich samochodów, pojazdów, w których czynnik masy ma kluczowe znaczenie. Kompozyty są lekkie, wytrzymałe, łatwe w kształtowaniu.

Mają też rolę kulturotwórczą – bez kalifornijskich surferów nie byłoby przecież ani Elvisa, ani Beach Boysów, ani Red Hot Chili Peppers, a surferów nie byłoby bez desek – z kompozytów, oczywiście. Superwytrzymały kevlar, materiały z włókien węglowych i inne – kompozyty są dziś synonimem nowoczesności. I nimi właśnie zajmuje się Andrzej Katunin, profesor nadzwyczajny Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Ten specjalista w dziedzinie tzw. badań nieniszczących materiałów jest autorem lub współautorem ponad 200 publikacji naukowych, dwukrotnym stypendystą programu Start Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, laureatem nagród Fiata za prace magisterską i doktorską, entuzjastycznym popularyzatorem nauki.

***

Karol Jałochowski: – Najgłupszym pytaniem, jakie można zadać artyście, jest: Jaki jest pani/pana ulubiony kolor? Jaki jest zatem pański ulubiony kompozyt?
Andrzej Katunin: – Kompozyt węglowy! Ponieważ stosowany jest w lotnictwie i zaawansowanej motoryzacji, jest w nim coś elitarnego. Poza tym pięknie wygląda, ma ciekawą fakturę.

Tylko dlaczego jest taki drogi?
To kwestia czasu.

Drewno to kompozyt, beton zbrojony też. Cóż takiego niezwykłego jest we współczesnych kompozytach?
Materiały kompozytowe towarzyszą nam rzeczywiście od zarania dziejów, ale zdobywamy wreszcie umiejętność dowolnego projektowania ich właściwości.

Kiedy i gdzie dokonał się taki przełom?
Bardzo przyczynił się do niego postęp w dziedzinie technologii kosmicznych i lotniczych. Tam dokonywane są kluczowe odkrycia i stamtąd kompozyty wędrują na niższe szczeble zastosowań. Już w latach 70. ubiegłego wieku wiadomo było, że nie sposób zmniejszać masy samolotów – a więc i zasięgu, i udźwigu – bez użycia kompozytów. Są one ponaddwukrotnie lżejsze niż stopy aluminium.

Skoro kompozyty są takie fantastyczne, co nas powstrzymuje przed budowaniem z nich chociażby całych mostów?
Ależ nic! I już to robimy. Budownictwo to dziedzina dość konserwatywna. Na nowinki kompozytowe patrzy na razie niechętnie. Ale powstają np. mosty w całości wykonane z materiałów kompozytowych. I to jest przyszłość.

Jednorodne materiały przejrzeliśmy na wylot. Jak się bada kompozyty? Czy wszystko da się przewidzieć w komputerze?
Przewidywanie ich właściwości, a zwłaszcza żywotności, rzeczywiście jest wyzwaniem. Mimo ich powszechności nie istnieje uniwersalny model matematyczny. Jest w języku angielskim termin residual life, oznaczający to, ile w czymś pozostało jeszcze życia. W przypadku struktur kompozytowych określenie tego „pozostałego życia” jest kłopotliwe. Nawet zaawansowane modele numeryczne nie wystarczają i trzeba wykonywać eksperymenty, badania statyczne i zmęczeniowe. Sprawę komplikuje też tzw. efekt skali. Próbki nie dają wiedzy o zachowaniu struktur o większych rozmiarach. W lotnictwie stosuje się tzw. filozofię tolerancji usterki, fault tolerance philosophy. Defekty w np. kompozytowych kadłubach samolotów są nieuniknione, choćby z powodów degradacji materiału. I nic w tym złego. Gdybyśmy chcieli wszystkie je usuwać, samoloty nie opuszczałyby warsztatu. Trzeba tylko sprawdzać, czy defekty te nie są krytyczne dla integralności struktury i czy nie będą poszerzać swojego zasięgu.

Jak zbadać kadłub czy skrzydło, nie niszcząc ich przy okazji?
Właśnie tym głównie się zajmuję. Pierwszych oględzin dokonuje się gołym okiem. Inspektor przygląda się powierzchni samolotu. Można też przyjrzeć się samolotowi w podczerwieni.

Podgrzewacie taki samolot?
Na przykład. Oświetlamy krótkimi impulsami o mocy nawet kilkudziesięciu kilowatów. Wynikiem tych działań jest pobudzenie struktury – rozpraszanie dostarczanej energii w postaci ciepła, które można zarejestrować specjalną kamerą. Można też strukturę kompozytową wprawić w drgania. Tym też się zajmuję. Efektem pobudzenia są niewielkie różnice temperatury w obrębie defektów. To drugi etap badań. Trzecim, najbardziej dokładnym i wymaganym przy uzyskiwaniu certyfikatów, jest badanie ultradźwiękowe, w którym obecność usterki sygnalizowana jest przez nieregularności w rozpraszaniu i odbijaniu fal.

Jak często poddaje się samoloty tego typu testom?
Nie mam pewności… Na pewno regularnie stosuje się sprawdzoną metodę opukiwania kadłuba. Doświadczony inspektor wie, gdzie pukać i jakiego dźwięku się spodziewać w przypadku np. rozwarstwienia kompozytu. Takie oględziny wykonuje się po każdym lądowaniu.

Czytaj także

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj