آیا نسل بعدی مواد فیبر کربن جدید قادر به «خودشناسی» خواهند بود؟

طبق آخرین گزارش، نسل بعدی مواد کامپوزیتی می‌توانند وضعیت سلامت ساختاری خود را رصد کنند و رایج شوند.

کامپوزیت‌های فیبر کربن سبک و محکم هستند و مواد ساختاری مهمی برای خودروها، هواپیماها و سایر وسایل حمل و نقل محسوب می‌شوند. آن‌ها از زیرلایه‌های پلیمری مانند رزین‌های اپوکسی تشکیل شده‌اند که با الیاف کربن تقویت‌شده پوشانده شده‌اند. به دلیل خواص مکانیکی متفاوت این دو ماده، الیاف تحت تنش یا خستگی بیش از حد از زیرلایه جدا می‌شوند. این بدان معناست که آسیب به ساختار کامپوزیت فیبر کربن ممکن است هنوز در زیر سطح پنهان باشد و با چشم غیرمسلح قابل تشخیص نباشد، که می‌تواند منجر به شکست فاجعه‌بار شود.

ریج کریس بولند، محقق در این زمینه، می‌گوید: «با درک درون کامپوزیت‌ها، می‌توانید سلامت آنها را بهتر ارزیابی کنید و بفهمید که آیا آسیبی وجود دارد که نیاز به تعمیر داشته باشد یا خیر.»

آزمایشگاه ملی اوک ریج در وزارت انرژی ایالات متحده (آزمایشگاه ملی اوک) ویگنر. «اخیراً، آمیت ناسکار، رئیس تیم کربن و کامپوزیت‌ها در بولند و ORNL، یک روش نوار نورد برای پیچیدن الیاف کربن رسانا روی نانوذرات کاربید سیلیکون نیمه‌رسانا اختراع کرد. این نانومواد در مواد کامپوزیتی جاسازی شده‌اند که از سایر کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف قوی‌تر هستند و توانایی جدیدی برای نظارت بر سلامت ساختارهای خود دارند. هنگامی که الیاف پوشش داده شده به اندازه کافی در پلیمر جاسازی شوند، الیاف یک شبکه برق تشکیل می‌دهند و کامپوزیت‌های حجیم، الکتریسیته را هدایت می‌کنند. نانوذرات نیمه‌رسانا می‌توانند این رسانایی الکتریکی را تحت عمل نیروهای خارجی از بین ببرند و عملکردهای مکانیکی و الکتریکی را به کامپوزیت‌ها اضافه کنند. اگر کامپوزیت‌ها کشیده شوند، اتصال الیاف پوشش داده شده از بین می‌رود و مقاومت در ماده تغییر می‌کند. اگر تلاطم طوفان باعث خم شدن بال کامپوزیت شود، یک سیگنال الکتریکی ممکن است به کامپیوتر هواپیما هشدار دهد که بال تحت فشار زیادی قرار دارد و آزمایش را پیشنهاد می‌کند. نمایش نوار نورد ORNL در اصل ثابت می‌کند که این روش می‌تواند نسل بعدی الیاف پوشش داده شده کامپوزیت را در مقیاس بزرگ تولید کند. کامپوزیت‌های خودحسگر، شاید از زیرلایه‌های پلیمری تجدیدپذیر و کربن کم‌هزینه ساخته شده باشند.» الیاف، می‌توانند جایگاه خود را در محصولات فراگیر، از جمله حتی ماشین‌ها و ساختمان‌های چاپ سه‌بعدی، پیدا کنند. محققان برای ساخت الیاف جاسازی‌شده در نانوذرات، قرقره‌های فیبر کربنی با کارایی بالا را روی غلتک‌ها نصب کردند و غلتک‌ها الیاف را در رزین‌های اپوکسی خیساندند که حاوی نانوذرات موجود در بازار هستند و عرض آنها تقریباً به اندازه عرض ویروس (۴۵-۶۵ نانومتر) است.

سپس الیاف در فر خشک می‌شوند تا پوشش محکم شود. به منظور آزمایش استحکام الیاف جاسازی شده در نانوذرات چسبیده به بستر پلیمری، محققان تیرهای کامپوزیتی تقویت شده با الیاف ساختند که در یک جهت چیده شده بودند. بولند یک آزمایش تنش انجام داد که در آن انتهای تیرک ثابت شد، در حالی که دستگاه ارزیابی خواص مکانیکی، نیروی رانشی را در وسط تیر اعمال کرد تا تیر شکست. به منظور مطالعه قابلیت حسگری ماده کامپوزیت، او الکترودهایی را در دو طرف تیرک نصب کرد. در دستگاهی که به عنوان "آنالیزور مکانیکی دینامیکی" شناخته می‌شود، او یک سر را قطع کرد تا تیرک ثابت بماند. دستگاه در انتهای دیگر نیرو اعمال می‌کند تا تیرک معلق را خم کند در حالی که بولند تغییر مقاومت را رصد می‌کند. نگوک نگوین، محقق پسادکترا از ORNL، آزمایش‌های بیشتری را در طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه انجام داد تا پیوندهای شیمیایی در کامپوزیت‌ها را مطالعه کند و درک مقاومت مکانیکی افزایش یافته مشاهده شده را بهبود بخشد. محققان همچنین توانایی اتلاف انرژی کامپوزیت‌های ساخته شده از مقادیر مختلف نانوذرات (که با رفتار میرایی ارتعاش اندازه‌گیری می‌شود) را آزمایش کردند، که می‌تواند پاسخ مواد ساختاری به شوک‌ها، ارتعاشات و سایر منابع تنش و کرنش را تسهیل کند. در هر غلظت، نانوذرات می‌توانند اتلاف انرژی را افزایش دهند (از 65٪ تا 257٪ به درجات مختلف). بولند و ناسکار برای ثبت اختراع فرآیندی برای ساخت کامپوزیت‌های فیبر کربن خودحسگر اقدام کرده‌اند.

بولند گفت: «پوشش‌های آغشته‌سازی‌شده روش جدیدی برای بهره‌برداری از نانومواد جدید در حال توسعه ارائه می‌دهند.» این مطالعه با حمایت پروژه‌های تحقیق و توسعه به سرپرستی آزمایشگاه ORNL انجام شده و در مجله ACS Applied Materials and Interfaces (مواد کاربردی و رابط‌ها) انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.