Според последния доклад, следващото поколение композитни материали могат да следят собственото си структурно здравословно състояние и да станат широко разпространени.
Въглеродните влакнести композити са леки и здрави и са важни структурни материали за автомобили, самолети и други транспортни средства. Те се състоят от полимерни субстрати, като епоксидни смоли, в които са вградени подсилени въглеродни влакна. Поради различните механични свойства на двата материала, влакната ще паднат от субстрата при прекомерно напрежение или умора. Това означава, че повредата в структурата на въглеродните влакна може все още да е скрита под повърхността и да не може да бъде открита с просто око, което може да доведе до катастрофална повреда.
„Като разберете вътрешността на композитните материали, можете по-добре да прецените тяхното състояние и да разберете дали има някакви повреди, които трябва да бъдат поправени“, казва Ридж Крис Боуланд, изследовател в...
Национална лаборатория Оук Ридж към Министерството на енергетиката на САЩ (Национална лаборатория Оук) Уигнер. „Наскоро Амит Наскар, ръководител на екипа по въглерод и композити в Боуланд и ORNL, изобрети метод на търкаляща се лента за увиване на проводими въглеродни влакна върху полупроводникови силициево-карбидни наночастици. Наноматериалите са вградени в композитни материали, които са по-здрави от други композити, подсилени с влакна, и имат нова способност да наблюдават здравето на собствените си структури. Когато достатъчно покрити влакна са вградени в полимера, влакната образуват електрическа мрежа и обемните композити провеждат електричество. Полупроводниковите наночастици могат да разрушат тази електрическа проводимост под действието на външни сили, добавяйки механични и електрически функции към композитите. Ако композитите се разтегнат, свързаността на покритите влакна ще бъде разрушена и съпротивлението в материала ще се промени. Ако турбуленцията на бурята доведе до огъване на композитното крило, електрически сигнал може да предупреди компютъра на самолета, за да покаже, че крилото е под твърде голямо налягане и да предложи тест. Демонстрацията на търкаляща се лента на ORNL доказва по принцип, че методът може да произведе следващото поколение композитни покрити влакна в голям мащаб. Самочувстващите се композити, вероятно направени от възобновяеми полимерни субстрати и евтини въглеродни влакна, могат да намерят своето място в повсеместните...“ продукти, включително дори 3D отпечатани автомобили и сгради. За да направят влакна, вградени в наночастици, изследователите инсталирали високопроизводителни макари от въглеродни влакна върху ролките, а ролките напоили влакната с епоксидни смоли, които съдържат налични на пазара наночастици, чиято ширина е приблизително колкото ширината на вируса (45-65 nm).
След това влакната се сушат във фурна, за да се закрепи покритието. За да се тества здравината на влакната, вградени в наночастици, залепени за полимерния субстрат, изследователите са направили подсилени с влакна композитни греди, които са били разположени в една посока. Боуланд е провел стрес тест, при който краищата на конзолата са били фиксирани, докато машината, оценяваща механичните свойства, е прилагала натиск в средата на гредата, докато гредата не се е счупила. За да проучи сензорната способност на композитния материал, той е инсталирал електроди от двете страни на конзолната греда. В машина, известна като „Динамичен механичен анализатор“, той е защипал единия край, за да държи конзолата неподвижна. Машината упражнява сила в другия край, за да огъне окачващата греда, докато Боуланд следи промяната на съпротивлението. Нгок Нгуен, постдокторант от ORNL, е провел допълнителни тестове в инфрачервения спектрометър с Фурие трансформация, за да изследва химичните връзки в композитите и да подобри разбирането за наблюдаваната повишена механична якост. Изследователите също така тестваха способността на дисипативната енергия на композити, изработени от различни количества наночастици (измерена чрез поведението на затихване на вибрациите), да улесни реакцията на структурните материали на удари, вибрации и други източници на напрежение и деформация. При всяка концентрация наночастиците могат да увеличат разсейването на енергия (от 65% до 257% в различна степен). Боуланд и Наскар са кандидатствали за патент за процес за производство на самочувствителни композити от въглеродни влакна.
„Импрегнираните покрития предоставят нов начин за използване на новите наноматериали, които се разработват“, каза Боуланд. Изследването е подкрепено от научноизследователски и развойни проекти, ръководени от лабораторията ORNL, публикувани в списанието ACS Applied Materials and Interfaces (Приложни материали и интерфейси) на Американското химическо дружество.
Време на публикуване: 07 декември 2018 г.