האם הדור הבא של חומרי סיבי פחמן חדשים יוכל "לזהות את עצמם"?

על פי הדו"ח האחרון, הדור הבא של חומרים מרוכבים יכול לנטר את מצב הבריאות המבני שלהם, ולהפוך לנפוצ.

חומרים מרוכבים מסיבי פחמן הם קלים וחזקים והם חומרי מבנה חשובים למכוניות, מטוסים וכלי תחבורה אחרים. הם מורכבים ממצעים פולימריים, כגון שרפי אפוקסי, המשובצים בסיבים מחוזקים של פחמן. בשל התכונות המכניות השונות של שני החומרים, הסיבים יפלו מהמצע תחת לחץ או עייפות מוגזמים. משמעות הדבר היא שנזק למבנה המרוכב של סיבי פחמן עדיין עשוי להיות מוסתר מתחת לפני השטח ולא ניתן לגילוי בעין בלתי מזוינת, מה שעלול להוביל לכשל קטסטרופלי.

"על ידי הבנת פנים החומרים המרוכבים, ניתן לשפוט טוב יותר את בריאותם ולדעת אם יש נזק שיש לתקן", אמר רידג' כריס בולנד, חוקר ב-

המעבדה הלאומית אוק רידג' במשרד האנרגיה של ארה"ב (המעבדה הלאומית אוק) ויגנר. "לאחרונה, עמית נסקר, ראש צוות הפחמן והחומרים המרוכבים בבולנד וב-ORNL, המציא שיטת פס גלגול לעטוף סיבי פחמן מוליכים על גבי ננו-חלקיקי סיליקון קרביד מוליכים למחצה. הננו-חומרים משובצים בחומרים מרוכבים חזקים יותר מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים אחרים ובעלי יכולת חדשה לנטר את בריאות המבנים שלהם. כאשר מספיק סיבים מצופים משובצים בפולימר, הסיבים יוצרים רשת חשמל, והחומרים המרוכבים בתפזורת מוליכים חשמל. ננו-חלקיקי מוליכים למחצה יכולים להרוס את המוליכות החשמלית הזו תחת פעולת כוחות חיצוניים, ולהוסיף פונקציות מכניות וחשמליות לחומרים המרוכבים. אם החומרים המרוכבים נמתחים, הקישוריות של הסיבים המצופים תיהרס וההתנגדות בחומר תשתנה. אם מערבולת הסערה גורמת לכנף המרוכבת להתכופף, אות חשמלי עשוי להזהיר את מחשב המטוס כדי לציין שהכנף נמצאת תחת לחץ רב מדי ולהציע בדיקה. הדגמת פס הגלגול של ORNL מוכיחה באופן עקרוני שהשיטה יכולה לייצר את הדור הבא של סיבים מצופים מרוכבים בקנה מידה גדול. חומרים מרוכבים בעלי חישה עצמית, אולי עשויים מצעים פולימריים מתחדשים ו..." סיבי פחמן זולים, יכולים למצוא את מקומם במוצרים נפוצים, כולל אפילו מכוניות ומבנים מודפסים בתלת מימד. על מנת לייצר סיבים משובצים בחלקיקים ננומטריים, החוקרים התקינו סלילי סיבי פחמן בעלי ביצועים גבוהים על הגלילים, והגלילים הרטיבו את הסיבים בשרפי אפוקסי, המכילים חלקיקים ננומטריים הזמינים בשוק, שרוחבם הוא בערך רוחב הנגיף (45-65 ננומטר).

הסיבים מיובשים לאחר מכן בתנור כדי לאבטח את הציפוי. על מנת לבדוק את חוזק הסיבים המשובצים בחלקיקים ננומטריים המודבקים למצע הפולימר, החוקרים יצרו קורות מרוכבות מחוזקות בסיבים, אשר סודרו בכיוון אחד. בולנד ביצע מבחן מאמץ שבו קצוות הקנטיליבר נקבעו, בעוד המכונה שהעריכה את התכונות המכניות הפעילה דחף במרכז הקורה עד שהקורה התקלקלה. על מנת לחקור את יכולת החישה של החומר המרוכב, הוא התקין אלקטרודות משני צידי הקורה הקנטיליברית. במכונה המכונה "מנתח מכני דינמי", הוא חתך קצה אחד כדי לשמור על הקנטיליבר נייח. המכונה מפעילה כוח בקצה השני כדי לכופף את קורת התלייה בעוד בולנד עוקב אחר שינוי ההתנגדות. ORNL, חוקר פוסט-דוקטורט נגוק נגוין, ביצע בדיקות נוספות בספקטרומטר אינפרא אדום טרנספורמציית פורייה כדי לחקור קשרים כימיים בחומרים מרוכבים ולשפר את ההבנה של החוזק המכני המשופר שנצפה. החוקרים בדקו גם את יכולתה של אנרגיית פיזור האנרגיה של חומרים מרוכבים העשויים מכמויות שונות של ננו-חלקיקים (נמדדת על ידי התנהגות ריסון רעידות), אשר תקל על תגובת חומרי מבנה לזעזועים, רעידות ומקורות אחרים של מאמץ ומאמץ. בכל ריכוז, ננו-חלקיקים יכולים לשפר את פיזור האנרגיה (מ-65% ל-257% בדרגות שונות). בולנד ונסקר הגישו בקשה לפטנט על תהליך לייצור חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בעלי חישה עצמית.

"ציפויים ספוגים מספקים דרך חדשה לנצל ננו-חומרים חדשים הנמצאים בפיתוח", אמר בולנד. המחקר נתמך על ידי פרויקטים של מחקר ופיתוח בניהול מעבדת ORNL, שפורסמו בכתב העת ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) של האגודה האמריקאית לכימיה.