Segons l'últim informe, la propera generació de materials compostos podrà controlar el seu propi estat de salut estructural i esdevindrà comuna.
Els compostos de fibra de carboni són lleugers i robustos i són materials estructurals importants per a automòbils, avions i altres mitjans de transport. Consisteixen en substrats polimèrics, com ara resines epoxi, que estan incrustats amb fibres de carboni reforçades. A causa de les diferents propietats mecàniques dels dos materials, les fibres cauran del substrat sota una tensió o fatiga excessives. Això significa que els danys a l'estructura composta de fibra de carboni encara poden estar amagats sota la superfície i no es poden detectar a simple vista, cosa que pot provocar una fallada catastròfica.
"En comprendre l'interior dels compostos, es pot jutjar millor el seu estat de salut i saber si hi ha algun dany que calgui reparar", va dir Ridge Chris Bowland, investigador del
Laboratori Nacional Oak Ridge del Departament d'Energia dels EUA (Laboratori Nacional Oak) Wigner. "Recentment, Amit Naskar, cap de l'equip de carboni i compostos a Bowland i ORNL, va inventar un mètode de franja laminada per embolicar fibres de carboni conductores en nanopartícules de carbur de silici semiconductor. Els nanomaterials estan incrustats en materials compostos que són més forts que altres compostos reforçats amb fibra i tenen una nova capacitat per controlar la salut de les seves pròpies estructures. Quan s'incrusten prou fibres recobertes al polímer, les fibres formen una xarxa elèctrica i els compostos a granel condueixen l'electricitat. Les nanopartícules semiconductores poden destruir aquesta conductivitat elèctrica sota l'acció de forces externes, afegint funcions mecàniques i elèctriques als compostos. Si els compostos s'estiren, la connectivitat de les fibres recobertes es destruirà i la resistència del material canviarà. Si la turbulència de la tempesta fa que l'ala composta es doblegui, un senyal elèctric pot avisar l'ordinador de l'avió per indicar que l'ala està sota massa pressió i suggerir una prova. La demostració de la franja laminada d'ORNL demostra en principi que el mètode pot produir la propera generació de fibres recobertes de compostos a gran escala. Compostos autodetectables, potser fets de substrats de polímer renovables i carboni de baix cost." les fibres, poden trobar el seu lloc en productes omnipresents, incloent-hi fins i tot cotxes i edificis impresos en 3D. Per tal de fabricar fibres incrustades en nanopartícules, els investigadors van instal·lar bobines de fibra de carboni d'alt rendiment als rodets, i els rodets van submergir les fibres en resines epoxi, que contenen nanopartícules disponibles al mercat, l'amplada de les quals és aproximadament l'amplada del virus (45-65 nm).
Les fibres s'assequen al forn per fixar el recobriment. Per tal de provar la resistència de les fibres incrustades en nanopartícules enganxades al substrat de polímer, els investigadors van fabricar bigues compostes reforçades amb fibra, que es van disposar en una direcció. Bowland va dur a terme una prova d'esforç en què es van fixar els extrems de la voladís, mentre la màquina que avaluava les propietats mecàniques aplicava empenta al mig de la biga fins que la biga fallava. Per estudiar la capacitat de detecció del material compost, va instal·lar elèctrodes a banda i banda de la biga en voladís. En una màquina coneguda com a "analitzador mecànic dinàmic", va retallar un extrem per mantenir la voladís estacionària. La màquina exerceix força a l'altre extrem per doblegar la biga de suspensió mentre Bowland controla el canvi de resistència. ORNL, una investigadora postdoctoral Ngoc Nguyen, va dur a terme proves addicionals a l'espectròmetre d'infrarojos de transformada de Fourier per estudiar els enllaços químics en materials compostos i millorar la comprensió de la resistència mecànica millorada observada. Els investigadors també van provar la capacitat de l'energia dissipativa dels compostos fets de diferents quantitats de nanopartícules (mesurada pel comportament d'amortiment de vibracions), que facilitaria la resposta dels materials estructurals a xocs, vibracions i altres fonts d'estrès i tensió. A cada concentració, les nanopartícules poden millorar la dissipació d'energia (del 65% al 257% en diversos graus). Bowland i Naskar han sol·licitat una patent de procés per a la fabricació de compostos de fibra de carboni autodetectables.
«Els recobriments impregnats proporcionen una nova manera d'aprofitar els nous nanomaterials que s'estan desenvolupant», va dir Bowland. L'estudi va ser recolzat per projectes de recerca i desenvolupament dirigits pel Laboratori ORNL, publicats a la revista ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) de l'American Chemical Society.
Data de publicació: 07-12-2018