Volgens het laatste rapport kan de volgende generatie composietmaterialen hun eigen structurele gezondheidsstatus controleren en worden ze algemeen verkrijgbaar.
Koolstofvezelcomposieten zijn licht en stevig en vormen belangrijke constructiematerialen voor auto's, vliegtuigen en andere transportmiddelen. Ze bestaan uit polymeersubstraten, zoals epoxyharsen, die zijn ingebed met versterkte koolstofvezels. Door de verschillende mechanische eigenschappen van de twee materialen zullen de vezels bij overmatige belasting of vermoeiing van het substraat loskomen. Dit betekent dat schade aan de koolstofvezelcomposietstructuur nog steeds onder het oppervlak verborgen kan zijn en niet met het blote oog kan worden waargenomen, wat kan leiden tot catastrofale breuken.
"Door de binnenkant van de composieten te begrijpen, kun je hun gezondheid beter beoordelen en weten of er schade is die moet worden gerepareerd", aldus Ridge Chris Bowland, onderzoeker bij de
Oak Ridge National Laboratory bij het Amerikaanse ministerie van Energie (Oak National Laboratory) Wigner. Onlangs heeft Amit Naskar, hoofd van het koolstof- en composietenteam bij Bowland en ORNL, een rolstrookmethode uitgevonden om geleidende koolstofvezels te wikkelen op halfgeleider siliciumcarbide nanodeeltjes. De nanomaterialen zijn ingebed in composietmaterialen die sterker zijn dan andere vezelversterkte composieten en een nieuw vermogen hebben om de gezondheid van hun eigen structuren te monitoren. Wanneer er voldoende gecoate vezels in het polymeer zijn ingebed, vormen de vezels een elektriciteitsnet en geleiden de bulkcomposieten elektriciteit. Halfgeleider nanodeeltjes kunnen deze elektrische geleidbaarheid onder invloed van externe krachten vernietigen, waardoor mechanische en elektrische functies aan de composieten worden toegevoegd. Als de composieten worden uitgerekt, wordt de connectiviteit van de gecoate vezels vernietigd en verandert de weerstand in het materiaal. Als de stormturbulentie ervoor zorgt dat de composietvleugel buigt, kan een elektrisch signaal de computer van het vliegtuig waarschuwen om aan te geven dat de vleugel onder te veel druk staat en een test voorstellen. De rolstrookdemonstratie van ORNL bewijst in principe dat de methode de volgende generatie composietgecoate vezels op grote schaal kan produceren. Schaal. Zelfdetecterende composieten, mogelijk gemaakt van hernieuwbare polymeersubstraten en goedkope koolstofvezels, kunnen hun plaats vinden in alomtegenwoordige producten, waaronder zelfs 3D-geprinte auto's en gebouwen. Om vezels te maken die in nanodeeltjes zijn ingebed, plaatsten de onderzoekers hoogwaardige koolstofvezelspoelen op de rollen. De rollen dompelden de vezels vervolgens onder in epoxyharsen, die op de markt verkrijgbare nanodeeltjes bevatten met een breedte die ongeveer gelijk is aan de breedte van het virus (45-65 nm).
De vezels worden vervolgens in de oven gedroogd om de coating te fixeren. Om de sterkte te testen van de vezels ingebed in nanodeeltjes die aan het polymeersubstraat gelijmd zijn, maakten de onderzoekers vezelversterkte composietbalken, die in één richting werden geplaatst. Bowland voerde een stresstest uit waarbij de uiteinden van de cantilever werden vastgezet, terwijl de machine die de mechanische eigenschappen evalueerde, een duw in het midden van de balk uitoefende totdat de balk het begaf. Om het sensorvermogen van het composietmateriaal te bestuderen, installeerde hij elektroden aan beide zijden van de cantileverbalk. In een machine die bekend staat als een "Dynamische Mechanische Analysator", knipte hij één uiteinde vast om de cantilever stil te houden. De machine oefent kracht uit op het andere uiteinde om de ophangbalk te buigen, terwijl Bowland de verandering in weerstand monitort. ORNL, postdoctoraal onderzoeker Ngoc Nguyen, voerde aanvullende tests uit in de Fourier Transform Infrared Spectrometer om chemische bindingen in composieten te bestuderen en de waargenomen verbeterde mechanische sterkte beter te begrijpen. De onderzoekers testten ook het vermogen van de dissipatieve energie van composieten gemaakt van verschillende hoeveelheden nanodeeltjes (gemeten via trillingsdempend gedrag), wat de reactie van constructiematerialen op schokken, trillingen en andere spannings- en rekbronnen zou vergemakkelijken. Bij elke concentratie kunnen nanodeeltjes de energiedissipatie verbeteren (van 65% tot 257% in verschillende mate). Bowland en Naskar hebben een procesoctrooi aangevraagd voor de productie van zelf-detecterende koolstofvezelcomposieten.
"Geïmpregneerde coatings bieden een nieuwe manier om te profiteren van nieuwe nanomaterialen die in ontwikkeling zijn", aldus Bowland. De studie werd ondersteund door onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten onder leiding van het ORNL Laboratory, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) van de American Chemical Society.
Plaatsingstijd: 07-12-2018