Segundo o último informe, a próxima xeración de materiais compostos pode monitorizar o seu propio estado de saúde estrutural e converterse en algo común.
Os materiais compostos de fibra de carbono son lixeiros e resistentes e constitúen materiais estruturais importantes para automóbiles, avións e outros medios de transporte. Consisten en substratos poliméricos, como resinas epoxi, que están incrustados con fibras de carbono reforzadas. Debido ás diferentes propiedades mecánicas dos dous materiais, as fibras caerán do substrato baixo unha tensión ou fatiga excesivas. Isto significa que os danos na estrutura composta de fibra de carbono aínda poden estar ocultos baixo a superficie e non se poden detectar a simple vista, o que pode levar a unha falla catastrófica.
"Ao comprender o interior dos materiais compostos, pódese avaliar mellor o seu estado e saber se hai algún dano que precise ser reparado", dixo Ridge Chris Bowland, investigador do
Laboratorio Nacional Oak Ridge do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (Laboratorio Nacional Oak) Wigner. Recentemente, Amit Naskar, xefe do equipo de carbono e materiais compostos en Bowland e ORNL, inventou un método de tira enrolada para envolver fibras de carbono condutoras en nanopartículas de carburo de silicio semicondutor. Os nanomateriais están incrustados en materiais compostos que son máis fortes que outros materiais compostos reforzados con fibra e teñen unha nova capacidade para monitorizar a saúde das súas propias estruturas. Cando se incrustan suficientes fibras revestidas no polímero, as fibras forman unha rede eléctrica e os materiais compostos a granel conducen a electricidade. As nanopartículas semicondutoras poden destruír esta condutividade eléctrica baixo a acción de forzas externas, engadindo funcións mecánicas e eléctricas aos materiais compostos. Se os materiais compostos se estiran, a conectividade das fibras revestidas destruirase e a resistencia do material cambiará. Se a turbulencia da tormenta fai que a á composta se dobre, un sinal eléctrico pode avisar o ordenador do avión para indicar que a á está baixo demasiada presión e suxerir unha proba. A demostración da tira enrolada de ORNL demostra en principio que o método pode producir a próxima xeración de fibras revestidas compostas a grande escala. Os materiais compostos autodetectables, quizais feitos de substratos de polímeros renovables e carbono de baixo custo... as fibras, poden atopar o seu lugar en produtos omnipresentes, incluíndo mesmo coches e edificios impresos en 3D. Para fabricar fibras incrustadas en nanopartículas, os investigadores instalaron bobinas de fibra de carbono de alto rendemento nos rolos, e os rolos empaparon as fibras en resinas epoxi, que conteñen nanopartículas dispoñibles no mercado, cuxa anchura é aproximadamente a anchura do virus (45-65 nm).
As fibras sécanse despois no forno para fixar o revestimento. Para probar a resistencia das fibras incrustadas en nanopartículas pegadas ao substrato polimérico, os investigadores fabricaron vigas compostas reforzadas con fibra, que se dispuxeron nunha dirección. Bowland realizou unha proba de tensión na que se fixaron os extremos da viga en voladizo, mentres que a máquina que avaliaba as propiedades mecánicas aplicaba empuxe no medio da viga ata que esta fallaba. Para estudar a capacidade de detección do material composto, instalou eléctrodos a ambos os dous lados da viga en voladizo. Nunha máquina coñecida como "analizador mecánico dinámico", cortou un extremo para manter a viga en voladizo estacionaria. A máquina exerce forza no outro extremo para dobrar a viga de suspensión mentres Bowland monitoriza o cambio de resistencia. ORNL, investigadora posdoutoral Ngoc Nguyen, realizou probas adicionais no espectrómetro de infravermellos de transformada de Fourier para estudar as ligazóns químicas en materiais compostos e mellorar a comprensión da maior resistencia mecánica observada. Os investigadores tamén probaron a capacidade da enerxía disipativa dos materiais compostos feitos con diferentes cantidades de nanopartículas (medida polo comportamento de amortiguación de vibracións), o que facilitaría a resposta dos materiais estruturais a golpes, vibracións e outras fontes de tensión e deformación. En cada concentración, as nanopartículas poden mellorar a disipación de enerxía (do 65 % ao 257 % en distintos graos). Bowland e Naskar solicitaron unha patente de proceso para a fabricación de materiais compostos de fibra de carbono autodetectables.
«Os recubrimentos impregnados proporcionan unha nova forma de aproveitar os novos nanomateriais que se están a desenvolver», dixo Bowland. O estudo foi apoiado por proxectos de investigación e desenvolvemento dirixidos polo Laboratorio ORNL, publicados na revista ACS Applied Materials and Interfaces (Materiais e Interfaces Aplicados) da Sociedade Química Americana.
Data de publicación: 07-12-2018