შეძლებს თუ არა ნახშირბადის ბოჭკოვანი მასალების შემდეგი თაობა „თვით-აღმოჩენას“?

უახლესი ანგარიშის თანახმად, კომპოზიტური მასალების შემდეგი თაობა საკუთარი სტრუქტურული მდგომარეობის მონიტორინგს შეძლებს და ფართოდ გავრცელებას დაიწყებს.

ნახშირბადის ბოჭკოვანი კომპოზიტები მსუბუქი და მტკიცეა და მნიშვნელოვან სტრუქტურულ მასალებს წარმოადგენს ავტომობილებისთვის, თვითმფრინავებისთვის და სხვა სატრანსპორტო საშუალებებისთვის. ისინი შედგება პოლიმერული სუბსტრატებისგან, როგორიცაა ეპოქსიდური ფისები, რომლებიც ჩასმულია გამაგრებული ნახშირბადის ბოჭკოებით. ორი მასალის განსხვავებული მექანიკური თვისებების გამო, ბოჭკოები ჩამოვარდება სუბსტრატიდან ჭარბი დატვირთვის ან დაღლილობის დროს. ეს ნიშნავს, რომ ნახშირბადის ბოჭკოვანი კომპოზიტის სტრუქტურის დაზიანება შეიძლება მაინც დაფარული იყოს ზედაპირის ქვეშ და შეუიარაღებელი თვალით ვერ დაფიქსირდეს, რამაც შეიძლება კატასტროფული კრახი გამოიწვიოს.

„კომპოზიტების შიგნიდან გაგებით, თქვენ შეგიძლიათ უკეთ შეაფასოთ მათი მდგომარეობა და იცოდეთ, არის თუ არა რაიმე დაზიანება, რომლის შეკეთებაც საჭიროა“, - თქვა რიჯ კრის ბოულენდმა, მკვლევარმა.

აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის ოუკ-რიჯის ეროვნული ლაბორატორია (ოუკის ეროვნული ლაბორატორია) ვიგნერი. „ცოტა ხნის წინ, ბოულენდისა და ORNL-ის ნახშირბადისა და კომპოზიტების გუნდის ხელმძღვანელმა, ამიტ ნასკარმა, გამოიგონა მოძრავი ზოლის მეთოდი, რომელიც გამტარი ნახშირბადის ბოჭკოებს ნახევარგამტარული სილიციუმის კარბიდის ნანონაწილაკებზე ახვევს. ნანომასალები ჩასმულია კომპოზიტურ მასალებში, რომლებიც უფრო ძლიერია, ვიდრე სხვა ბოჭკოვანი გამაგრებული კომპოზიტები და აქვთ ახალი უნარი, აკონტროლონ საკუთარი სტრუქტურების მდგომარეობა. როდესაც პოლიმერში საკმარისი რაოდენობით დაფარული ბოჭკოებია ჩასმული, ბოჭკოები ქმნიან ელექტრო ქსელს და მოცულობითი კომპოზიტები ელექტროენერგიას ატარებენ. ნახევარგამტარულ ნანონაწილაკებს შეუძლიათ გაანადგურონ ეს ელექტროგამტარობა გარე ძალების მოქმედებით, რაც კომპოზიტებს მექანიკურ და ელექტრულ ფუნქციებს მატებს. თუ კომპოზიტები გაჭიმულია, დაფარული ბოჭკოების შეერთება განადგურდება და მასალაში წინააღმდეგობა შეიცვლება. თუ ქარიშხლის ტურბულენტობა კომპოზიტური ფრთის მოხრას გამოიწვევს, ელექტრულმა სიგნალმა შეიძლება გააფრთხილოს თვითმფრინავის კომპიუტერი, რათა მიუთითოს, რომ ფრთა ძალიან დიდი წნევის ქვეშაა და ტესტის ჩატარება მოითხოვოს. ORNL-ის მოძრავი ზოლის დემონსტრირება პრინციპში ადასტურებს, რომ მეთოდს შეუძლია დიდი მასშტაბით წარმოქმნას კომპოზიტური დაფარული ბოჭკოების შემდეგი თაობა. თვითაღქმადი კომპოზიტები, შესაძლოა დამზადებული განახლებადი პოლიმერისგან.“ სუბსტრატებსა და დაბალფასიან ნახშირბადის ბოჭკოებს შეუძლიათ თავიანთი ადგილი იპოვონ ყველგან გამოყენებულ პროდუქტებში, მათ შორის 3D პრინტერზე დაბეჭდილ მანქანებსა და შენობებშიც კი. ნანონაწილაკებში ჩასმული ბოჭკოების დასამზადებლად, მკვლევარებმა ლილვაკებზე დაამონტაჟეს მაღალი ხარისხის ნახშირბადის ბოჭკოს კოჭები, ხოლო ლილვაკები ბოჭკოებს ეპოქსიდური ფისებით ასველებდნენ, რომლებიც შეიცავენ ბაზარზე არსებულ ნანონაწილაკებს, რომელთა სიგანე დაახლოებით ვირუსის სიგანის ტოლია (45-65 ნმ).

შემდეგ ბოჭკოები ღუმელში შრება საფარის დასამაგრებლად. პოლიმერულ სუბსტრატზე მიმაგრებული ნანონაწილაკების სიმტკიცის შესამოწმებლად, მკვლევარებმა შექმნეს ბოჭკოებით გამაგრებული კომპოზიტური სხივები, რომლებიც ერთი მიმართულებით იყო განლაგებული. ბოულენდმა ჩაატარა დაძაბულობის ტესტი, რომლის დროსაც კონსოლის ბოლოები დაფიქსირებული იყო, ხოლო მექანიკური თვისებების შემფასებელი მანქანა სხივის შუაში ბიძგს ახორციელებდა მანამ, სანამ სხივი არ გაფუჭდებოდა. კომპოზიტური მასალის აღქმის უნარის შესასწავლად, მან კონსოლის სხივის ორივე მხარეს ელექტროდები დაამონტაჟა. „დინამიური მექანიკური ანალიზატორის“ სახელით ცნობილ მანქანაში მან ერთი ბოლო მოაჭრა, რათა კონსოლის სტაციონარული შენარჩუნება შეძლებოდა. მანქანა მეორე ბოლოზე ძალას ახდენს დაკიდებული სხივის მოსახვევად, ხოლო ბოულენდი წინააღმდეგობის ცვლილებას აკონტროლებს. ORNL-მა, პოსტდოქტორანტმა მკვლევარმა ნგოკ ნგუენმა, დამატებითი ტესტები ჩაატარა ფურიეს გარდაქმნის ინფრაწითელ სპექტრომეტრში, რათა შეესწავლა კომპოზიტებში ქიმიური ბმები და გაეუმჯობესებინა დაკვირვებული გაძლიერებული მექანიკური სიმტკიცის გაგება. მკვლევრებმა ასევე გამოსცადეს ნანონაწილაკების სხვადასხვა რაოდენობისგან დამზადებული კომპოზიტების დისიპაციური ენერგიის გაფანტვის უნარი (იზომება ვიბრაციის დემპფერაციის ქცევით), რაც ხელს შეუწყობს სტრუქტურული მასალების რეაგირებას დარტყმებზე, ვიბრაციებსა და სხვა სტრესისა და დეფორმაციის წყაროებზე. თითოეული კონცენტრაციის დროს, ნანონაწილაკებს შეუძლიათ გააძლიერონ ენერგიის გაფანტვა (65%-დან 257%-მდე სხვადასხვა ხარისხით). ბოულენდმა და ნასკარმა შეიტანეს განაცხადი თვითაღქმადი ნახშირბადის ბოჭკოვანი კომპოზიტების წარმოებისთვის პროცესის პატენტზე.

„გაჟღენთილი საფარი ახალი ნანომასალების გამოყენების ახალ გზას იძლევა“, - თქვა ბოულენდმა. კვლევას მხარს უჭერდა ORNL ლაბორატორიის მიერ ხელმძღვანელობით ჩატარებული კვლევითი და განვითარების პროექტები, რომლებიც გამოქვეყნდა ამერიკის ქიმიური საზოგადოების ჟურნალში ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces).