Secondo l'ultimo rapporto, la prossima generazione di materiali compositi è in grado di monitorare il proprio stato di salute strutturale e di diventare comune.
I compositi in fibra di carbonio sono leggeri e robusti e rappresentano importanti materiali strutturali per automobili, aerei e altri mezzi di trasporto. Sono costituiti da substrati polimerici, come le resine epossidiche, integrati con fibre di carbonio rinforzate. A causa delle diverse proprietà meccaniche dei due materiali, le fibre si staccano dal substrato in caso di sollecitazioni eccessive o fatica. Ciò significa che eventuali danni alla struttura del composito in fibra di carbonio potrebbero essere nascosti sotto la superficie e non essere rilevabili a occhio nudo, il che può portare a guasti catastrofici.
"Comprendendo l'interno dei compositi, è possibile valutare meglio la loro salute e sapere se c'è qualche danno che deve essere riparato", ha affermato Ridge Chris Bowland, ricercatore presso l'
Oak Ridge National Laboratory presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Oak National Laboratory) Wigner. Di recente, Amit Naskar, responsabile del team carbonio e compositi di Bowland e ORNL, ha inventato un metodo di laminazione a strisce per avvolgere fibre di carbonio conduttive su nanoparticelle di carburo di silicio semiconduttore. I nanomateriali sono incorporati in materiali compositi più resistenti di altri compositi rinforzati con fibre e hanno una nuova capacità di monitorare lo stato di salute delle proprie strutture. Quando un numero sufficiente di fibre rivestite è incorporato nel polimero, le fibre formano una griglia elettrica e il composito in massa conduce elettricità. Le nanoparticelle semiconduttrici possono distruggere questa conduttività elettrica sotto l'azione di forze esterne, aggiungendo funzioni meccaniche ed elettriche ai compositi. Se i compositi vengono allungati, la connettività delle fibre rivestite verrà distrutta e la resistenza del materiale cambierà. Se la turbolenza della tempesta causa la flessione dell'ala composita, un segnale elettrico potrebbe avvisare il computer di bordo che l'ala è sottoposta a una pressione eccessiva e suggerire un test. La dimostrazione della laminazione a strisce dell'ORNL dimostra in linea di principio che il metodo può produrre la prossima generazione di fibre rivestite in composito su un'ampia superficie. Scala. I compositi auto-rilevanti, forse realizzati con substrati polimerici rinnovabili e fibre di carbonio a basso costo, possono trovare posto in prodotti onnipresenti, tra cui persino automobili ed edifici stampati in 3D. Per realizzare fibre incorporate in nanoparticelle, i ricercatori hanno installato bobine di fibra di carbonio ad alte prestazioni sui rulli, e i rulli hanno immerso le fibre in resine epossidiche, che contengono nanoparticelle disponibili sul mercato, la cui larghezza è all'incirca quella del virus (45-65 nm).
Le fibre vengono quindi essiccate in forno per fissare il rivestimento. Per testare la resistenza delle fibre incorporate nelle nanoparticelle incollate al substrato polimerico, i ricercatori hanno realizzato travi composite rinforzate con fibre, disposte in una direzione. Bowland ha eseguito un test di stress in cui le estremità del cantilever sono state fissate, mentre la macchina, che ne valutava le proprietà meccaniche, applicava una spinta al centro della trave fino alla rottura. Per studiare la capacità di rilevamento del materiale composito, ha installato elettrodi su entrambi i lati del cantilever. In una macchina nota come "analizzatore meccanico dinamico", ha tagliato un'estremità per mantenere fermo il cantilever. La macchina esercita una forza all'altra estremità per piegare la trave di sospensione mentre Bowland monitora la variazione di resistenza. Il ricercatore post-dottorato Ngoc Nguyen dell'ORNL ha condotto ulteriori test nello spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier per studiare i legami chimici nei compositi e migliorare la comprensione dell'aumentata resistenza meccanica osservata. I ricercatori hanno anche testato la capacità di dissipare energia di compositi composti da diverse quantità di nanoparticelle (misurata in termini di smorzamento delle vibrazioni), facilitando la risposta dei materiali strutturali a urti, vibrazioni e altre fonti di stress e deformazione. A ciascuna concentrazione, le nanoparticelle possono migliorare la dissipazione di energia (dal 65% al 257%, in misura variabile). Bowland e Naskar hanno depositato una domanda di brevetto per un processo di produzione di compositi in fibra di carbonio auto-rilevanti.
"I rivestimenti impregnati offrono un nuovo modo per sfruttare i nuovi nanomateriali in fase di sviluppo", ha affermato Bowland. Lo studio è stato supportato da progetti di ricerca e sviluppo diretti dall'ORNL Laboratory e pubblicato sulla rivista ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) dell'American Chemical Society.
Data di pubblicazione: 07-12-2018