Prema najnovijem izvješću, sljedeća generacija kompozitnih materijala može pratiti vlastito strukturno zdravstveno stanje i postati uobičajena.
Kompoziti od karbonskih vlakana su lagani i čvrsti te su važni konstrukcijski materijali za automobile, zrakoplove i druga prijevozna sredstva. Sastoje se od polimernih podloga, poput epoksidnih smola, koje su ugrađene u ojačana karbonska vlakna. Zbog različitih mehaničkih svojstava dvaju materijala, vlakna će otpasti s podloge pod prekomjernim naprezanjem ili umorom. To znači da oštećenje strukture kompozita od karbonskih vlakana još uvijek može biti skriveno ispod površine i ne može se otkriti golim okom, što može dovesti do katastrofalnog kvara.
„Razumijevanjem unutrašnjosti kompozita možete bolje procijeniti njihovo zdravlje i znati postoji li ikakva šteta koju je potrebno popraviti“, rekao je Ridge Chris Bowland, istraživač u
Nacionalni laboratorij Oak Ridge pri američkom Ministarstvu energetike (Nacionalni laboratorij Oak) Wigner. „Nedavno je Amit Naskar, voditelj tima za ugljik i kompozite u Bowlandu i ORNL-u, izumio metodu valjanja trake za omotavanje vodljivih ugljičnih vlakana na poluvodičke silicij-karbidne nanočestice. Nanomaterijali su ugrađeni u kompozitne materijale koji su jači od drugih kompozita ojačanih vlaknima i imaju novu sposobnost praćenja zdravlja vlastitih struktura. Kada se u polimer ugradi dovoljno obloženih vlakana, vlakna tvore energetsku mrežu, a kompoziti u rasutom stanju provode električnu energiju. Poluvodničke nanočestice mogu uništiti ovu električnu vodljivost pod djelovanjem vanjskih sila, dodajući mehaničke i električne funkcije kompozitima. Ako se kompoziti rastegnu, povezanost obloženih vlakana bit će uništena i otpor u materijalu će se promijeniti. Ako turbulencija oluje uzrokuje savijanje kompozitnog krila, električni signal može upozoriti računalo aviona kako bi pokazao da je krilo pod prevelikim pritiskom i predložio testiranje. Demonstracija valjanja trake ORNL-a u principu dokazuje da metoda može proizvesti sljedeću generaciju vlakana obloženih kompozitom u velikim razmjerima. Samoosjetljivi kompoziti, možda izrađeni od obnovljivih polimernih podloga i jeftinih ugljičnih vlakana, mogu pronaći svoje mjesto u sveprisutnim…“ proizvodi, uključujući čak i 3D printane automobile i zgrade. Kako bi napravili vlakna ugrađena u nanočestice, istraživači su na valjke instalirali visokoučinkovite kaleme od karbonskih vlakana, a valjci su natopili vlakna epoksidnim smolama koje sadrže dostupne nanočestice na tržištu, čija je širina otprilike širine virusa (45-65 nm).
Vlakna se zatim suše u pećnici kako bi se premaz učvrstio. Kako bi testirali čvrstoću vlakana ugrađenih u nanočestice zalijepljene na polimernu podlogu, istraživači su izradili kompozitne grede ojačane vlaknima, koje su bile raspoređene u jednom smjeru. Bowland je proveo test naprezanja u kojem su krajevi konzole bili fiksirani, dok je stroj koji procjenjuje mehanička svojstva primjenjivao potisak u sredini grede dok greda nije pukla. Kako bi proučio sposobnost očitavanja kompozitnog materijala, instalirao je elektrode s obje strane konzolne grede. U stroju poznatom kao "Dinamički mehanički analizator" zarezao je jedan kraj kako bi konzola ostala nepomična. Stroj primjenjuje silu na drugom kraju kako bi savio viseću gredu dok Bowland prati promjenu otpora. ORNL, postdoktorski istraživač Ngoc Nguyen, proveo je dodatna ispitivanja u Fourierovom transformacijskom infracrvenom spektrometru kako bi proučio kemijske veze u kompozitima i poboljšao razumijevanje uočene poboljšane mehaničke čvrstoće. Istraživači su također testirali sposobnost disipativne energije kompozita izrađenih od različitih količina nanočestica (mjereno ponašanjem prigušenja vibracija), što bi olakšalo odgovor strukturnih materijala na udarce, vibracije i druge izvore naprezanja i deformacija. Pri svakoj koncentraciji, nanočestice mogu poboljšati disipaciju energije (od 65% do 257% u različitim stupnjevima). Bowland i Naskar podnijeli su zahtjev za patent za proces proizvodnje samoosjetljivih kompozita od karbonskih vlakana.
„Impregnirani premazi pružaju novi način iskorištavanja novih nanomaterijala koji se razvijaju“, rekao je Bowland. Studiju su podržali istraživački i razvojni projekti koje vodi ORNL laboratorij, a objavljeno je u časopisu ACS Applied Materials and Interfaces (Primijenjeni materijali i sučelja) Američkog kemijskog društva.
Vrijeme objave: 07.12.2018.