Σύμφωνα με την τελευταία έκθεση, η επόμενη γενιά σύνθετων υλικών μπορεί να παρακολουθεί τη δική της δομική κατάσταση υγείας και να γίνει κοινή.
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι ελαφριά και ανθεκτικά και αποτελούν σημαντικά δομικά υλικά για αυτοκίνητα, αεροσκάφη και άλλα μέσα μεταφοράς. Αποτελούνται από πολυμερή υποστρώματα, όπως εποξειδικές ρητίνες, τα οποία είναι ενσωματωμένα με ενισχυμένες ίνες άνθρακα. Λόγω των διαφορετικών μηχανικών ιδιοτήτων των δύο υλικών, οι ίνες θα πέσουν από το υπόστρωμα υπό υπερβολική τάση ή κόπωση. Αυτό σημαίνει ότι η ζημιά στη δομή του σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα μπορεί να παραμένει κρυμμένη κάτω από την επιφάνεια και να μην μπορεί να ανιχνευθεί με γυμνό μάτι, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφική αστοχία.
«Κατανοώντας το εσωτερικό των σύνθετων υλικών, μπορείτε να κρίνετε καλύτερα την υγεία τους και να γνωρίζετε εάν υπάρχει κάποια ζημιά που χρειάζεται επισκευή», δήλωσε ο Ridge Chris Bowland, ερευνητής στο
Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (Oak National Laboratory) Wigner. «Πρόσφατα, ο Amit Naskar, επικεφαλής της ομάδας άνθρακα και σύνθετων υλικών στο Bowland και το ORNL, εφηύρε μια μέθοδο κυλιόμενης λωρίδας για την περιτύλιξη αγώγιμων ινών άνθρακα σε νανοσωματίδια καρβιδίου του πυριτίου ημιαγωγών. Τα νανοϋλικά ενσωματώνονται σε σύνθετα υλικά που είναι ισχυρότερα από άλλα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες και έχουν μια νέα ικανότητα να παρακολουθούν την υγεία των δικών τους δομών. Όταν αρκετές επικαλυμμένες ίνες ενσωματώνονται στο πολυμερές, οι ίνες σχηματίζουν ένα ηλεκτρικό δίκτυο και τα σύνθετα υλικά αγώγουν ηλεκτρισμό. Τα ημιαγωγικά νανοσωματίδια μπορούν να καταστρέψουν αυτήν την ηλεκτρική αγωγιμότητα υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, προσθέτοντας μηχανικές και ηλεκτρικές λειτουργίες στα σύνθετα υλικά. Εάν τα σύνθετα υλικά τεντωθούν, η συνδεσιμότητα των επικαλυμμένων ινών θα καταστραφεί και η αντίσταση στο υλικό θα αλλάξει. Εάν η αναταραχή της καταιγίδας προκαλέσει κάμψη της σύνθετης πτέρυγας, ένα ηλεκτρικό σήμα μπορεί να προειδοποιήσει τον υπολογιστή του αεροπλάνου για να υποδείξει ότι η πτέρυγα βρίσκεται υπό υπερβολική πίεση και να προτείνει μια δοκιμή. Η επίδειξη κυλιόμενης λωρίδας του ORNL αποδεικνύει κατ' αρχήν ότι η μέθοδος μπορεί να παράγει την επόμενη γενιά σύνθετων επικαλυμμένων ινών σε μεγάλη κλίμακα. Αυτοανιχνευόμενα σύνθετα υλικά, ίσως κατασκευασμένα από ανανεώσιμο πολυμερές.» Τα υποστρώματα και οι ίνες άνθρακα χαμηλού κόστους, μπορούν να βρουν τη θέση τους σε πανταχού παρόντα προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων ακόμη και τρισδιάστατα εκτυπωμένων αυτοκινήτων και κτιρίων. Προκειμένου να κατασκευάσουν ίνες ενσωματωμένες σε νανοσωματίδια, οι ερευνητές εγκατέστησαν καρούλια από ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης στους κυλίνδρους και οι κύλινδροι μούλιασαν τις ίνες σε εποξειδικές ρητίνες, οι οποίες περιέχουν νανοσωματίδια που διατίθενται στην αγορά, το πλάτος των οποίων είναι περίπου το πλάτος του ιού (45-65 nm).
Οι ίνες στη συνέχεια ξηραίνονται στον φούρνο για να ασφαλιστεί η επικάλυψη. Προκειμένου να ελεγχθεί η αντοχή των ινών που είναι ενσωματωμένες σε νανοσωματίδια κολλημένα στο πολυμερές υπόστρωμα, οι ερευνητές κατασκεύασαν σύνθετες δοκούς ενισχυμένες με ίνες, οι οποίες ήταν διατεταγμένες σε μία κατεύθυνση. Ο Bowland πραγματοποίησε μια δοκιμή τάσης στην οποία τα άκρα του προβόλου ήταν σταθερά, ενώ το μηχάνημα που αξιολογούσε τις μηχανικές ιδιότητες εφάρμοζε ώθηση στη μέση της δοκού μέχρι να αστοχήσει η δοκός. Προκειμένου να μελετήσει την ικανότητα ανίχνευσης του σύνθετου υλικού, εγκατέστησε ηλεκτρόδια και στις δύο πλευρές της δοκού προβόλου. Σε μια μηχανή γνωστή ως "Δυναμικός μηχανικός αναλυτής", έκοψε το ένα άκρο για να κρατήσει το προβόλου ακίνητο. Το μηχάνημα ασκεί δύναμη στο άλλο άκρο για να κάμψει την κρεμαστή δοκό, ενώ ο Bowland παρακολουθεί την αλλαγή αντίστασης. Ο ORNL, μεταδιδακτορικός ερευνητής Ngoc Nguyen, διεξήγαγε πρόσθετες δοκιμές στο φασματόμετρο υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier για να μελετήσει τους χημικούς δεσμούς στα σύνθετα υλικά και να βελτιώσει την κατανόηση της παρατηρούμενης ενισχυμένης μηχανικής αντοχής. Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης την ικανότητα της διασπώμενης ενέργειας των σύνθετων υλικών που κατασκευάζονται από διαφορετικές ποσότητες νανοσωματιδίων (μετρούμενη με τη συμπεριφορά απόσβεσης κραδασμών), η οποία θα διευκόλυνε την απόκριση των δομικών υλικών σε κραδασμούς, δονήσεις και άλλες πηγές τάσης και παραμόρφωσης. Σε κάθε συγκέντρωση, τα νανοσωματίδια μπορούν να ενισχύσουν την διασπορά ενέργειας (από 65% έως 257% σε ποικίλους βαθμούς). Οι Bowland και Naskar υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας διεργασίας για την κατασκευή αυτοανιχνευόμενων σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα.
«Οι εμποτισμένες επιστρώσεις παρέχουν έναν νέο τρόπο αξιοποίησης των νέων νανοϋλικών που αναπτύσσονται», δήλωσε ο Bowland. Η μελέτη υποστηρίχθηκε από ερευνητικά και αναπτυξιακά έργα που διευθύνονται από το Εργαστήριο ORNL, τα οποία δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας.
Ώρα δημοσίευσης: 07 Δεκεμβρίου 2018