Saskaņā ar jaunāko ziņojumu, nākamās paaudzes kompozītmateriāli var uzraudzīt savu strukturālo veselības stāvokli un kļūt izplatīti.
Oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir viegli un izturīgi, un tie ir svarīgi konstrukcijas materiāli automašīnām, lidmašīnām un citiem transporta līdzekļiem. Tie sastāv no polimēru substrātiem, piemēram, epoksīdsveķiem, kuros ir iestrādātas pastiprinātas oglekļa šķiedras. Abu materiālu atšķirīgo mehānisko īpašību dēļ šķiedras pārmērīga sprieguma vai noguruma ietekmē nokrīt no substrāta. Tas nozīmē, ka oglekļa šķiedras kompozītmateriāla struktūras bojājumi joprojām var būt paslēpti zem virsmas un tos nevar atklāt ar neapbruņotu aci, kas var izraisīt katastrofālu bojājumu.
"Izprotot kompozītmateriālu iekšpusi, jūs varat labāk novērtēt to stāvokli un zināt, vai ir kādi bojājumi, kas jālabo," sacīja Ridžs Kriss Boulands, pētnieks.
Oukridžas Nacionālā laboratorija ASV Enerģētikas departamentā (Oukridžas Nacionālā laboratorija) Vignerā. „Nesen Amits Naskars, Bowland un ORNL oglekļa un kompozītmateriālu komandas vadītājs, izgudroja velmēšanas sloksnes metodi, lai uz pusvadītāju silīcija karbīda nanodaļiņām uztītu vadošas oglekļa šķiedras. Nanomateriāli ir iestrādāti kompozītmateriālos, kas ir izturīgāki nekā citi ar šķiedrām pastiprināti kompozītmateriāli un tiem ir jauna spēja uzraudzīt savu struktūru stāvokli. Kad polimērā ir iestrādāts pietiekami daudz pārklātu šķiedru, šķiedras veido elektrotīklu, un lielie kompozītmateriāli vada elektrību. Pusvadītāju nanodaļiņas ārēju spēku ietekmē var iznīcināt šo elektrovadītspēju, pievienojot kompozītmateriāliem mehāniskas un elektriskas funkcijas. Ja kompozītmateriāli tiek izstiepti, pārklāto šķiedru savienojamība tiks iznīcināta un materiāla pretestība mainīsies. Ja vētras turbulence izraisa kompozītmateriāla spārna saliekšanos, elektriskais signāls var brīdināt lidmašīnas datoru, norādot, ka spārns ir pakļauts pārāk lielam spiedienam, un ieteikt veikt testu. ORNL velmēšanas sloksnes demonstrācija principā pierāda, ka šī metode var radīt nākamās paaudzes kompozītmateriālu pārklātas šķiedras plašā mērogā. Pašsensori kompozītmateriāli, iespējams, izgatavoti no atjaunojamiem polimēru substrātiem un lētām oglekļa šķiedrām, var atrast savu vietu visuresošajos…” produkti, tostarp pat 3D drukātas automašīnas un ēkas. Lai izgatavotu nanodaļiņās iestrādātas šķiedras, pētnieki uz veltņiem uzstādīja augstas veiktspējas oglekļa šķiedras spoles, un veltņi iemērcēja šķiedras epoksīdsveķos, kas satur tirgū pieejamās nanodaļiņas, kuru platums ir aptuveni vīrusa platumā (45–65 nm).
Pēc tam šķiedras žāvē cepeškrāsnī, lai nostiprinātu pārklājumu. Lai pārbaudītu pie polimēra substrāta pielīmēto nanodaļiņās iestrādāto šķiedru izturību, pētnieki izgatavoja ar šķiedrām pastiprinātas kompozītmateriāla sijas, kas tika izvietotas vienā virzienā (Onge Direction). Boulands veica sprieguma testu, kurā konsoles gali tika fiksēti, kamēr iekārta, kas novērtēja mehāniskās īpašības, pielika vilci sijas vidū, līdz sija salūza. Lai izpētītu kompozītmateriāla uztveres spējas, viņš uzstādīja elektrodus abās konsoles sijas pusēs. Iekārtā, kas pazīstama kā "dinamiskais mehāniskais analizators", viņš nofiksēja vienu galu, lai konsole paliktu nekustīga. Iekārta pieliek spēku otram galam, lai saliektu piekares siju, kamēr Boulands uzrauga pretestības izmaiņas. ORNL, pēcdotorantūras pētnieks Ngoks Ngujens, veica papildu testus Furjē transformācijas infrasarkanajā spektrometrā, lai pētītu ķīmiskās saites kompozītmateriālos un uzlabotu izpratni par novēroto uzlaboto mehānisko izturību. Pētnieki pārbaudīja arī dažādu nanodaļiņu daudzumu kompozītu disipatīvās enerģijas spēju (mērot pēc vibrācijas slāpēšanas uzvedības), kas veicinātu strukturālo materiālu reakciju uz triecieniem, vibrācijām un citiem sprieguma un deformācijas avotiem. Katrā koncentrācijā nanodaļiņas var uzlabot enerģijas izkliedi (no 65% līdz 257% dažādās pakāpēs). Boulands un Naskars ir pieteikušies procesa patentam pašsensoru oglekļa šķiedras kompozītu ražošanai.
"Impregnēti pārklājumi nodrošina jaunu veidu, kā izmantot jaunos nanomateriālus, kas tiek izstrādāti," sacīja Boulends. Pētījumu atbalstīja ORNL laboratorijas vadītie pētniecības un attīstības projekti, kas publicēti Amerikas Ķīmijas biedrības žurnālā ACS Applied Materials and Interfaces (Lietišķie materiāli un saskarnes).
Publicēšanas laiks: 2018. gada 7. decembris