Prema najnovijem izvještaju, sljedeća generacija kompozitnih materijala može pratiti vlastito strukturno zdravstveno stanje i postati uobičajena.
Kompoziti od karbonskih vlakana su lagani i čvrsti te su važni strukturni materijali za automobile, avione i druga transportna sredstva. Sastoje se od polimernih podloga, kao što su epoksidne smole, koje su ugrađene u ojačana karbonska vlakna. Zbog različitih mehaničkih svojstava dva materijala, vlakna će otpasti sa podloge pod prekomjernim naprezanjem ili zamorom. To znači da oštećenje strukture kompozita od karbonskih vlakana još uvijek može biti skriveno ispod površine i ne može se otkriti golim okom, što može dovesti do katastrofalnog kvara.
„Razumijevanjem unutrašnjosti kompozita, možete bolje procijeniti njihovo zdravlje i znati postoji li bilo kakva šteta koju je potrebno popraviti“, rekao je Ridge Chris Bowland, istraživač u
Nacionalna laboratorija Oak Ridge pri Ministarstvu energetike SAD-a (Nacionalna laboratorija Oak) Wigner. „Nedavno je Amit Naskar, šef tima za ugljik i kompozite u Bowlandu i ORNL-u, izumio metodu valjanja trake za omotavanje provodljivih ugljičnih vlakana na nanočestice poluprovodničkog silicijum karbida. Nanomaterijali su ugrađeni u kompozitne materijale koji su jači od drugih kompozita ojačanih vlaknima i imaju novu sposobnost praćenja zdravlja vlastitih struktura. Kada se u polimer ugradi dovoljno obloženih vlakana, vlakna formiraju energetsku mrežu, a kompoziti u rasutom stanju provode električnu energiju. Poluprovodničke nanočestice mogu uništiti ovu električnu provodljivost pod djelovanjem vanjskih sila, dodajući mehaničke i električne funkcije kompozitima. Ako se kompoziti rastegnu, povezanost obloženih vlakana će biti uništena i otpor u materijalu će se promijeniti. Ako turbulencija oluje uzrokuje savijanje kompozitnog krila, električni signal može upozoriti računar aviona da ukazuje na to da je krilo pod prevelikim pritiskom i predložiti testiranje. Demonstracija valjanja trake ORNL-a u principu dokazuje da metoda može proizvesti sljedeću generaciju vlakana obloženih kompozitom u velikim razmjerima. Samosenzorni kompoziti, možda napravljeni od obnovljivih polimernih podloga i jeftinih ugljičnih vlakana, mogu pronaći svoje mjesto u sveprisutnim...“ proizvodi, uključujući čak i 3D printane automobile i zgrade. Kako bi napravili vlakna ugrađena u nanočestice, istraživači su na valjke instalirali visokoučinkovite kaleme od karbonskih vlakana, a valjci su natopili vlakna epoksidnim smolama, koje sadrže dostupne nanočestice na tržištu, čija je širina otprilike širine virusa (45-65 nm).
Vlakna se zatim suše u pećnici kako bi se premaz učvrstio. Kako bi testirali čvrstoću vlakana ugrađenih u nanočestice zalijepljene za polimernu podlogu, istraživači su napravili kompozitne grede ojačane vlaknima, koje su bile raspoređene u jednom smjeru. Bowland je proveo test naprezanja u kojem su krajevi konzole bili fiksirani, dok je mašina koja procjenjuje mehanička svojstva primjenjivala potisak u sredini grede sve dok greda nije pukla. Kako bi proučio sposobnost detekcije kompozitnog materijala, instalirao je elektrode na obje strane konzolne grede. U mašini poznatoj kao "Dinamički mehanički analizator", zarezao je jedan kraj kako bi konzola ostala nepomična. Mašina vrši silu na drugom kraju kako bi savila viseću gredu dok Bowland prati promjenu otpora. ORNL, postdoktorski istraživač Ngoc Nguyen, proveo je dodatne testove u infracrvenom spektrometru s Fourierovom transformacijom kako bi proučio hemijske veze u kompozitima i poboljšao razumijevanje uočene poboljšane mehaničke čvrstoće. Istraživači su također testirali sposobnost disipativne energije kompozita napravljenih od različitih količina nanočestica (mjereno ponašanjem prigušenja vibracija), što bi olakšalo odgovor strukturnih materijala na udarce, vibracije i druge izvore naprezanja i deformacija. Pri svakoj koncentraciji, nanočestice mogu poboljšati disipaciju energije (od 65% do 257% u različitim stepenima). Bowland i Naskar su podnijeli zahtjev za patent za proces proizvodnje samosenzornih kompozita od karbonskih vlakana.
„Impregnirani premazi pružaju novi način iskorištavanja novih nanomaterijala koji se razvijaju“, rekao je Bowland. Studiju su podržali istraživački i razvojni projekti koje vodi ORNL laboratorija, a objavljeno je u časopisu ACS Applied Materials and Interfaces (Primijenjeni materijali i interfejsi) Američkog hemijskog društva.
Vrijeme objave: 07.12.2018.