A legfrissebb jelentés szerint a kompozit anyagok következő generációja képes lesz saját szerkezeti állapotának monitorozására, és elterjedtté válik.
A szénszálas kompozitok könnyűek és masszívak, és fontos szerkezeti anyagok autókban, repülőgépekben és más közlekedési eszközökben. Polimer szubsztrátokból, például epoxigyantákból állnak, amelyekbe megerősített szénszálak vannak ágyazva. A két anyag eltérő mechanikai tulajdonságai miatt a szálak túlzott igénybevétel vagy fáradás hatására leválnak az aljzatról. Ez azt jelenti, hogy a szénszálas kompozit szerkezet károsodása továbbra is rejtve lehet a felszín alatt, és szabad szemmel nem észlelhető, ami katasztrofális meghibásodáshoz vezethet.
„A kompozitok belsejének megértésével jobban megítélhetjük azok állapotát, és megtudhatjuk, hogy van-e olyan sérülés, amelyet javítani kell” – mondta Ridge Chris Bowland, a ... kutatója.
Oak Ridge Nemzeti Laboratórium az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumában (Oak Nemzeti Laboratórium) Wigner. „Amit Naskar, a Bowland és az ORNL szén- és kompozit csapatának vezetője nemrégiben feltalált egy gördülő csíkos módszert, amellyel vezetőképes szénszálakat tekercselnek félvezető szilícium-karbid nanorészecskékre. A nanorészecskék olyan kompozit anyagokba ágyazódnak, amelyek erősebbek, mint más szálerősítésű kompozitok, és új képességgel rendelkeznek saját szerkezetük állapotának ellenőrzésére. Amikor elegendő bevonatos szálat ágyaznak be a polimerbe, a szálak elektromos hálózatot alkotnak, és a kompozitok vezetik az elektromos áramot. A félvezető nanorészecskék külső erők hatására elpusztíthatják ezt az elektromos vezetőképességet, mechanikai és elektromos funkciókat adva a kompozitokhoz. Ha a kompozitokat nyújtják, a bevonatos szálak összekapcsolódása megsemmisül, és az anyag ellenállása megváltozik. Ha a vihar turbulenciája a kompozit szárnyát meghajolja, egy elektromos jel figyelmeztetheti a repülőgép számítógépét, jelezve, hogy a szárny túl nagy nyomás alatt van, és tesztet javasolhat. Az ORNL gördülő csíkos demonstrációja elvileg bizonyítja, hogy a módszer nagymértékben képes előállítani a kompozit bevonatos szálak következő generációját. Az önérzékelő kompozitok, amelyek talán megújuló polimer szubsztrátokból és olcsó szénszálakból készülnek, megtalálhatják a helyüket a mindenütt jelenlévő…” termékek, beleértve akár 3D nyomtatott autókat és épületeket is. A nanorészecskékbe ágyazott szálak előállításához a kutatók nagy teljesítményű szénszálas tekercseket szereltek a hengerekre, a hengerek pedig epoxigyantába áztatták a szálakat, amelyek a piacon kapható nanorészecskéket tartalmaznak, amelyek szélessége körülbelül a vírus szélességével megegyező (45-65 nm).
A szálakat ezután kemencében szárítják, hogy rögzítsék a bevonatot. A polimer hordozóhoz ragasztott nanorészecskékbe ágyazott szálak szilárdságának tesztelése érdekében a kutatók szálerősítésű kompozit gerendákat készítettek, amelyeket egy irányban (One Direction) rendeztek el. Bowland egy feszültségvizsgálatot végzett, amelyben a konzol végeit rögzítették, miközben a mechanikai tulajdonságokat kiértékelő gép a gerenda közepén nyomást gyakorolt, amíg a gerenda el nem tört. A kompozit anyag érzékelési képességének vizsgálata érdekében elektródákat szerelt a konzolos gerenda mindkét oldalára. Egy "dinamikus mechanikai analizátorként" ismert gépben az egyik végét lefogta, hogy a konzolt mozdulatlanul tartsa. A gép a másik végén erőt fejt ki a felfüggesztő gerenda hajlítására, miközben Bowland figyeli az ellenállás változását. Az ORNL posztdoktori kutatója, Ngoc Nguyen további vizsgálatokat végzett a Fourier-transzformációs infravörös spektrométerrel, hogy tanulmányozza a kompozitokban lévő kémiai kötéseket, és jobban megértse a megfigyelt megnövekedett mechanikai szilárdságot. A kutatók a különböző mennyiségű nanorészecskékből készült kompozitok disszipatív energiájának képességét is tesztelték (a rezgéscsillapítási viselkedéssel mérve), amely elősegítené a szerkezeti anyagok válaszát ütésekre, rezgésekre és egyéb feszültség- és alakváltozási forrásokra. Minden koncentrációban a nanorészecskék fokozhatják az energiaelnyelést (65%-ról 257%-ra, különböző mértékben). Bowland és Naskar eljárásszabadalmat kértek önérzékelő szénszálas kompozitok gyártására.
„Az impregnált bevonatok új módszert kínálnak a fejlesztés alatt álló új nanorészecskék kihasználására” – mondta Bowland. A tanulmányt az ORNL Laboratórium által irányított kutatási és fejlesztési projektek támogatták, amelyek az American Chemical Society ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) című folyóiratában jelentek meg.
Közzététel ideje: 2018. dec. 7.