Podle nejnovější zprávy může nová generace kompozitních materiálů sledovat svůj vlastní strukturální stav a stát se běžnou.
Kompozity z uhlíkových vláken jsou lehké a pevné a představují důležité konstrukční materiály pro automobily, letadla a další dopravní prostředky. Skládají se z polymerních substrátů, jako jsou epoxidové pryskyřice, které jsou zalité vyztuženými uhlíkovými vlákny. Vzhledem k odlišným mechanickým vlastnostem těchto dvou materiálů vlákna při nadměrném namáhání nebo únavě odpadnou ze substrátu. To znamená, že poškození struktury kompozitu z uhlíkových vláken může být stále skryté pod povrchem a nelze jej pouhým okem zjistit, což může vést ke katastrofálnímu selhání.
„Pochopením vnitřku kompozitů můžete lépe posoudit jejich stav a zjistit, zda nedošlo k nějakému poškození, které je třeba opravit,“ říká Ridge Chris Bowland, výzkumník z…
Národní laboratoř Oak Ridge při americkém ministerstvu energetiky (Oak National Laboratory) Wigner. „Nedávno Amit Naskar, vedoucí týmu pro uhlík a kompozity v Bowlandu a ORNL, vynalezl metodu rolování proužků pro navíjení vodivých uhlíkových vláken na nanočástice karbidu křemíku z polovodičů. Nanomateriály jsou zabudovány do kompozitních materiálů, které jsou pevnější než jiné kompozity vyztužené vlákny a mají novou schopnost monitorovat stav svých vlastních struktur. Když je do polymeru zabudováno dostatečné množství potažených vláken, vlákna vytvoří energetickou síť a objemové kompozity vedou elektřinu. Polovodičové nanočástice mohou tuto elektrickou vodivost zničit působením vnějších sil, čímž kompozitům přidají mechanické a elektrické funkce. Pokud se kompozity natáhnou, propojení potažených vláken se zničí a odpor materiálu se změní. Pokud turbulence v bouři způsobí ohnutí kompozitního křídla, elektrický signál může varovat počítač letadla, aby indikoval, že křídlo je pod příliš velkým tlakem, a navrhl test. Demonstrace rolování proužků v ORNL v principu dokazuje, že tato metoda může ve velkém měřítku produkovat další generaci kompozitních potažených vláken. Samočinné kompozity, pravděpodobně vyrobené z obnovitelných polymerních substrátů a levných uhlíkových vláken, mohou najít své místo ve všudypřítomných materiálech.“ produkty, včetně dokonce i 3D tištěných aut a budov. Aby vědci mohli vyrobit vlákna zabudovaná do nanočástic, nainstalovali na válce vysoce výkonné cívky z uhlíkových vláken a válce namočily vlákna do epoxidových pryskyřic, které obsahují nanočástice dostupné na trhu, jejichž šířka se přibližně rovná šířce viru (45-65 nm).
Vlákna se poté suší v peci, aby se povlak zajistil. Aby vědci otestovali pevnost vláken zabudovaných do nanočástic přilepených k polymernímu substrátu, vyrobili vlákny vyztužené kompozitní nosníky, které byly uspořádány v jednom směru. Bowland provedl zátěžový test, při kterém byly konce konzoly fixovány, zatímco stroj vyhodnocující mechanické vlastnosti aplikoval tlak uprostřed nosníku, dokud se nosník nezlomil. Aby prostudoval snímací schopnost kompozitního materiálu, instaloval elektrody na obě strany konzolového nosníku. Ve stroji známém jako „dynamický mechanický analyzátor“ zastřihl jeden konec, aby konzola zůstala nehybná. Stroj vyvíjí sílu na druhém konci, aby ohnul závěsný nosník, zatímco Bowland sleduje změnu odporu. ORNL, postdoktorandský výzkumník Ngoc Nguyen, provedl další testy v infračerveném spektrometru s Fourierovou transformací, aby studoval chemické vazby v kompozitech a lépe pochopil pozorovanou zvýšenou mechanickou pevnost. Výzkumníci také testovali schopnost disipativní energie kompozitů vyrobených z různého množství nanočástic (měřeno tlumením vibrací), která by usnadnila reakci konstrukčních materiálů na otřesy, vibrace a další zdroje napětí a deformace. Při každé koncentraci mohou nanočástice zvýšit disipaci energie (od 65 % do 257 % v různé míře). Bowland a Naskar požádali o patent na proces výroby samosnímacích kompozitů z uhlíkových vláken.
„Impregnované povlaky poskytují nový způsob, jak využít nové nanomateriály, které se vyvíjejí,“ řekl Bowland. Studie byla podpořena výzkumnými a vývojovými projekty řízenými laboratoří ORNL a byla publikována v časopise ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) Americké chemické společnosti.
Čas zveřejnění: 7. prosince 2018