Uusimman raportin mukaan seuraavan sukupolven komposiittimateriaalit voivat seurata omaa rakenteellista terveydentilaansa ja yleistyä.
Hiilikuitukomposiitit ovat kevyitä ja kestäviä, ja ne ovat tärkeitä rakennemateriaaleja autoissa, lentokoneissa ja muissa kulkuneuvoissa. Ne koostuvat polymeerialustoista, kuten epoksihartseista, joihin on upotettu vahvistettuja hiilikuituja. Näiden kahden materiaalin erilaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi kuidut irtoavat alustasta liiallisen rasituksen tai väsymisen vaikutuksesta. Tämä tarkoittaa, että hiilikuitukomposiittirakenteen vauriot voivat silti olla piilossa pinnan alla, eikä niitä voida havaita paljaalla silmällä, mikä voi johtaa katastrofaaliseen vikaantumiseen.
"Ymmärtämällä komposiittien sisäpuolta voidaan paremmin arvioida niiden kuntoa ja tietää, onko niissä korjattavia vaurioita", sanoo Ridge Chris Bowland, tutkija laitokselta.
Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridgen kansallinen laboratorio (Oakin kansallinen laboratorio) Wigner. ”Äskettäin Bowlandin ja ORNL:n hiili- ja komposiittitiimin johtaja Amit Naskar keksi vierintänauhamenetelmän johtavien hiilikuitujen käärimiseksi puolijohde-piikarbidinanohiukkasten päälle. Nanomateriaalit upotetaan komposiittimateriaaleihin, jotka ovat vahvempia kuin muut kuituvahvisteiset komposiitit ja joilla on uusi kyky valvoa omien rakenteidensa terveyttä. Kun polymeeriin upotetaan riittävästi päällystettyjä kuituja, kuidut muodostavat sähköverkon, ja komposiitit johtavat sähköä. Puolijohdenanopartikkelit voivat tuhota tämän sähkönjohtavuuden ulkoisten voimien vaikutuksesta, mikä lisää komposiitteihin mekaanisia ja sähköisiä toimintoja. Jos komposiitteja venytetään, päällystettyjen kuitujen yhteys tuhoutuu ja materiaalin resistanssi muuttuu. Jos myrskyn turbulenssi aiheuttaa komposiittisiiven taipumisen, sähköinen signaali voi varoittaa lentokoneen tietokonetta ja osoittaa, että siipi on liian paineen alla, ja ehdottaa testiä. ORNL:n vierintänauhademonstraatio osoittaa periaatteessa, että menetelmällä voidaan tuottaa seuraavan sukupolven komposiittipäällystettyjä kuituja laajassa mittakaavassa. Itsetunnistavat komposiitit, jotka on ehkä valmistettu uusiutuvista polymeerialustoista ja edullisista hiilikuiduista, voivat löytää paikkansa kaikkialla läsnä olevista…” tuotteita, mukaan lukien jopa 3D-tulostettuja autoja ja rakennuksia. Nanopartikkeleihin upotettujen kuitujen valmistamiseksi tutkijat asensivat rullille tehokkaita hiilikuitukeloja, ja rullat liottivat kuituja epoksihartseissa, jotka sisältävät markkinoilla saatavilla olevia nanopartikkeleita, joiden leveys on suunnilleen viruksen leveys (45–65 nm).
Kuidut kuivataan sitten uunissa pinnoitteen kiinnittämiseksi. Polymeerialustalle liimattujen nanopartikkelien sisään upotettujen kuitujen lujuuden testaamiseksi tutkijat valmistivat kuituvahvisteisia komposiittipalkkeja, jotka asetettiin yhteen suuntaan (One Direction). Bowland suoritti jännitystestin, jossa ulokepalkin päät kiinnitettiin, kun taas mekaanisia ominaisuuksia arvioiva kone kohdisti työntövoimaa palkin keskelle, kunnes palkki petti. Komposiittimateriaalin tunnistuskyvyn tutkimiseksi hän asensi elektrodit ulokepalkin molemmille puolille. "Dynaamisessa mekaanisessa analysaattorissa" tunnetussa koneessa hän leikkasi toisen pään pitääkseen ulokepalkin paikallaan. Kone kohdistaa voimaa toiseen päähän taivuttaakseen ripustuspalkkia, kun taas Bowland seuraa vastuksen muutosta. ORNL, post doc -tutkija Ngoc Nguyen, suoritti lisätestejä Fourier-muunnosinfrapunaspektrometrillä tutkiakseen komposiittien kemiallisia sidoksia ja parantaakseen ymmärrystä havaitusta parantuneesta mekaanisesta lujuudesta. Tutkijat testasivat myös eri nanopartikkelimääristä valmistettujen komposiittien dissipatiivisen energian kykyä (mitattuna tärinänvaimennuskäyttäytymisellä), mikä helpottaisi rakennemateriaalien vastetta iskuille, tärinälle ja muille jännitys- ja venymälähteille. Jokaisella pitoisuudella nanopartikkelit voivat parantaa energian häviötä (65 prosentista 257 prosenttiin vaihtelevassa määrin). Bowland ja Naskar ovat hakeneet menetelmäpatenttia itsetunnistavien hiilikuitukomposiittien valmistukseen.
”Kyllästetyt pinnoitteet tarjoavat uuden tavan hyödyntää kehitteillä olevia uusia nanomateriaaleja”, Bowland sanoi. Tutkimusta tukivat ORNL-laboratorion ohjaamat tutkimus- ja kehityshankkeet, jotka julkaistiin American Chemical Societyn ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) -lehdessä.
Julkaisun aika: 7.12.2018