Ifølge den seneste rapport kan den næste generation af kompositmaterialer overvåge deres egen strukturelle sundhedstilstand og blive almindelige.
Kulfiberkompositter er lette og robuste og er vigtige strukturmaterialer til biler, fly og andre transportmidler. De består af polymersubstrater, såsom epoxyharpikser, som er indlejret med forstærkede kulfibre. På grund af de to materialers forskellige mekaniske egenskaber vil fibrene falde af substratet under overdreven belastning eller udmattelse. Det betyder, at skader på kulfiberkompositstrukturen stadig kan være skjult under overfladen og ikke kan opdages med det blotte øje, hvilket kan føre til katastrofale svigt.
"Ved at forstå kompositmaterialernes indre kan man bedre bedømme deres tilstand og vide, om der er nogen skader, der skal repareres," siger Ridge Chris Bowland, forsker ved
Oak Ridge National Laboratory ved det amerikanske energiministerium (Oak National Laboratory) Wigner. "For nylig opfandt Amit Naskar, leder af kulstof- og kompositteamet hos Bowland og ORNL, en rullende stribemetode til at vikle ledende kulfibre på halvleder-siliciumcarbid-nanopartikler. Nanomaterialerne er indlejret i kompositmaterialer, der er stærkere end andre fiberforstærkede kompositter og har en ny evne til at overvåge deres egne strukturers tilstand. Når nok belagte fibre er indlejret i polymeren, danner fibrene et strømnet, og bulkkompositterne leder elektricitet. Halvleder-nanopartikler kan ødelægge denne elektriske ledningsevne under påvirkning af eksterne kræfter og tilføje mekaniske og elektriske funktioner til kompositterne. Hvis kompositterne strækkes, vil forbindelsen mellem de belagte fibre blive ødelagt, og modstanden i materialet vil ændre sig. Hvis stormturbulensen får kompositvingen til at bøje, kan et elektrisk signal advare flyets computer for at indikere, at vingen er under for meget pres og foreslå en test. Demonstrationen af rullende striber fra ORNL beviser i princippet, at metoden kan producere den næste generation af kompositbelagte fibre i stor skala. Selvregistrerende kompositter, måske lavet af fornyelige polymersubstrater og Billige kulfibre kan finde deres plads i allestedsnærværende produkter, herunder endda 3D-printede biler og bygninger. For at fremstille fibre indlejret i nanopartikler installerede forskerne højtydende kulfiberspoler på rullerne, og rullerne gennemvædede fibrene i epoxyharpikser, som indeholder tilgængelige nanopartikler på markedet, hvis bredde er omtrent virussens bredde (45-65 nm).
Fibrene tørres derefter i ovnen for at fastgøre belægningen. For at teste styrken af fibrene indlejret i nanopartikler limet til polymersubstratet, lavede forskerne fiberforstærkede kompositbjælker, som blev arrangeret i én retning. Bowland udførte en stresstest, hvor enderne af udkragningen blev fikseret, mens maskinen, der evaluerede de mekaniske egenskaber, påførte et tryk midt på bjælken, indtil bjælken brød. For at undersøge kompositmaterialets føleevne installerede han elektroder på begge sider af udkragningsbjælken. I en maskine kendt som en "dynamisk mekanisk analysator" klippede han den ene ende for at holde udkragningen stationær. Maskinen udøver kraft i den anden ende for at bøje ophængningsbjælken, mens Bowland overvåger ændringen i modstand. ORNL, en postdoc-forsker Ngoc Nguyen, udførte yderligere tests i Fourier Transform Infrared-spektrometeret for at studere kemiske bindinger i kompositter og forbedre forståelsen af den observerede øgede mekaniske styrke. Forskerne testede også evnen af den dissipative energi i kompositter lavet af forskellige mængder nanopartikler (målt ved vibrationsdæmpningsadfærd), hvilket ville lette strukturelle materialers reaktion på stød, vibrationer og andre stress- og belastningskilder. Ved hver koncentration kan nanopartikler forbedre energitabet (fra 65 % til 257 % i varierende grad). Bowland og Naskar har ansøgt om et procespatent til fremstilling af selvregistrerende kulfiberkompositter.
"Imprægnerede belægninger giver en ny måde at udnytte nye nanomaterialer, der er under udvikling," sagde Bowland. Undersøgelsen blev støttet af forsknings- og udviklingsprojekter ledet af ORNL Laboratory, offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) fra American Chemical Society.
Opslagstidspunkt: 7. dec. 2018