Según el último informe, la próxima generación de materiales compuestos podrá monitorear su propio estado de salud estructural y volverse común.
Los compuestos de fibra de carbono son ligeros y resistentes, y constituyen importantes materiales estructurales para automóviles, aeronaves y otros medios de transporte. Consisten en sustratos poliméricos, como resinas epoxi, que incorporan fibras de carbono reforzadas. Debido a las diferentes propiedades mecánicas de ambos materiales, las fibras se desprenderán del sustrato bajo tensión o fatiga excesivas. Esto significa que los daños en la estructura del compuesto de fibra de carbono pueden permanecer ocultos bajo la superficie y no ser detectados a simple vista, lo que puede provocar una falla catastrófica.
"Al comprender el interior de los materiales compuestos, se puede evaluar mejor su estado de salud y saber si hay algún daño que deba repararse", dijo Ridge Chris Bowland, investigador de la
Laboratorio Nacional de Oak Ridge en el Departamento de Energía de EE. UU. (Laboratorio Nacional de Oak) Wigner. Recientemente, Amit Naskar, jefe del equipo de carbono y compuestos de Bowland y ORNL, inventó un método de banda rodante para envolver fibras de carbono conductoras sobre nanopartículas semiconductoras de carburo de silicio. Los nanomateriales se incrustan en materiales compuestos más resistentes que otros compuestos reforzados con fibra y poseen una nueva capacidad para monitorizar el estado de sus propias estructuras. Cuando se incrustan suficientes fibras recubiertas en el polímero, estas forman una red eléctrica y los compuestos en masa conducen la electricidad. Las nanopartículas semiconductoras pueden destruir esta conductividad eléctrica bajo la acción de fuerzas externas, añadiendo funciones mecánicas y eléctricas a los compuestos. Si los compuestos se estiran, la conectividad de las fibras recubiertas se destruirá y la resistencia del material cambiará. Si la turbulencia de la tormenta provoca la flexión del ala de compuesto, una señal eléctrica puede advertir al ordenador del avión para indicar que el ala está sometida a demasiada presión y sugerir una prueba. La demostración de la banda rodante de ORNL demuestra, en principio, que el método puede producir la próxima generación de fibras recubiertas de compuestos a gran escala. Los compuestos autodetectables, quizás fabricados con sustratos poliméricos renovables y fibras de carbono de bajo coste, podrían integrarse en productos omnipresentes, como automóviles y edificios impresos en 3D. Para fabricar fibras con nanopartículas, los investigadores instalaron carretes de fibra de carbono de alto rendimiento en los rodillos, y estos impregnaron las fibras en resinas epoxi, que contienen nanopartículas disponibles en el mercado, cuyo ancho es similar al del virus (45-65 nm).
Las fibras se secan en el horno para fijar el recubrimiento. Para comprobar la resistencia de las fibras incrustadas en nanopartículas adheridas al sustrato de polímero, los investigadores fabricaron vigas compuestas reforzadas con fibra, dispuestas en una dirección. Bowland realizó una prueba de esfuerzo en la que se fijaron los extremos del voladizo, mientras que la máquina que evaluaba las propiedades mecánicas aplicaba empuje en el centro de la viga hasta que esta fallaba. Para estudiar la capacidad de detección del material compuesto, instaló electrodos a ambos lados del voladizo. En una máquina conocida como "analizador mecánico dinámico", cortó un extremo para mantener el voladizo estacionario. La máquina ejerce fuerza en el otro extremo para doblar la viga de suspensión mientras Bowland monitoriza la variación de la resistencia. ORNL, investigador postdoctoral de Ngoc Nguyen, realizó pruebas adicionales en el espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier para estudiar los enlaces químicos en los compuestos y comprender mejor la mayor resistencia mecánica observada. Los investigadores también evaluaron la capacidad de disipación de energía de compuestos compuestos con diferentes cantidades de nanopartículas (medida mediante su comportamiento de amortiguación de vibraciones), lo que facilitaría la respuesta de los materiales estructurales a impactos, vibraciones y otras fuentes de tensión y deformación. En cada concentración, las nanopartículas pueden mejorar la disipación de energía (del 65 % al 257 %, en distintos grados). Bowland y Naskar han solicitado una patente de proceso para la fabricación de compuestos de fibra de carbono autodetectables.
"Los recubrimientos impregnados ofrecen una nueva forma de aprovechar los nuevos nanomateriales en desarrollo", afirmó Bowland. El estudio, financiado por proyectos de investigación y desarrollo dirigidos por el Laboratorio ORNL, se publicó en la revista ACS Applied Materials and Interfaces (Materiales Aplicados e Interfaces) de la Sociedad Química Americana.
Hora de publicación: 07-dic-2018