Ifølge den siste rapporten kan neste generasjon komposittmaterialer overvåke sin egen strukturelle helsetilstand, og bli vanlige.
Karbonfiberkompositter er lette og robuste, og er viktige strukturmaterialer for biler, fly og andre transportmidler. De består av polymersubstrater, som epoksyharpikser, som er innebygd med forsterkede karbonfibre. På grunn av de forskjellige mekaniske egenskapene til de to materialene, vil fibrene falle av substratet under overdreven belastning eller utmatting. Dette betyr at skader på karbonfiberkomposittstrukturen fortsatt kan være skjult under overflaten og ikke kan oppdages med det blotte øye, noe som kan føre til katastrofal svikt.
«Ved å forstå innsiden av komposittene kan du bedre bedømme tilstanden deres og vite om det er noen skader som må repareres», sa Ridge Chris Bowland, en forsker ved
Oak Ridge National Laboratory ved det amerikanske energidepartementet (Oak National Laboratory) Wigner. «Nylig oppfant Amit Naskar, leder for karbon- og komposittteamet ved Bowland og ORNL, en rullende stripemetode for å pakke ledende karbonfibre på halvleder-silisiumkarbid-nanopartikler. Nanomaterialene er innebygd i komposittmaterialer som er sterkere enn andre fiberforsterkede kompositter og har en ny evne til å overvåke tilstanden til sine egne strukturer. Når nok belagte fibre er innebygd i polymeren, danner fibrene et strømnett, og bulkkomposittene leder strøm. Halvleder-nanopartikler kan ødelegge denne elektriske ledningsevnen under påvirkning av ytre krefter, og legge til mekaniske og elektriske funksjoner til komposittene. Hvis komposittene strekkes, vil tilkoblingen til de belagte fibrene bli ødelagt og motstanden i materialet vil endres. Hvis stormturbulensen får komposittvingen til å bøye seg, kan et elektrisk signal advare flyets datamaskin for å indikere at vingen er under for mye press og foreslå en test. Demonstrasjonen av rullende striper fra ORNL beviser i prinsippet at metoden kan produsere neste generasjon av komposittbelagte fibre i stor skala. Selvregistrerende kompositter, kanskje laget av fornybare polymersubstrater og rimelige karbonfibre kan finne sin plass i allestedsnærværende produkter, inkludert til og med 3D-printede biler og bygninger. For å lage fibre innebygd i nanopartikler, installerte forskerne høytytende karbonfiberspoler på rullene, og rullene dynket fibrene i epoksyharpikser, som inneholder tilgjengelige nanopartikler på markedet, hvis bredde er omtrent virusets bredde (45–65 nm).
Fibrene tørkes deretter i ovnen for å feste belegget. For å teste styrken til fibrene som er innebygd i nanopartikler limt til polymersubstratet, laget forskerne fiberforsterkede komposittbjelker, som ble arrangert i én retning. Bowland utførte en stresstest der endene av utkragingen ble fiksert, mens maskinen som evaluerte de mekaniske egenskapene påførte et trykk midt på bjelken til bjelken sviktet. For å studere føleevnen til komposittmaterialet installerte han elektroder på begge sider av utkragingen. I en maskin kjent som en "dynamisk mekanisk analysator" klippet han den ene enden for å holde utkragingen stasjonær. Maskinen utøver kraft i den andre enden for å bøye opphengsbjelken mens Bowland overvåker endringen i motstand. ORNL, en postdoktor Ngoc Nguyen, utførte ytterligere tester i Fourier Transform Infrared-spektrometeret for å studere kjemiske bindinger i kompositter og forbedre forståelsen av den økte mekaniske styrken som observeres. Forskerne testet også evnen til den dissipative energien til kompositter laget av forskjellige mengder nanopartikler (målt ved vibrasjonsdempende atferd), noe som ville legge til rette for responsen til strukturelle materialer på støt, vibrasjoner og andre stress- og belastningskilder. Ved hver konsentrasjon kan nanopartikler forbedre energispredningen (fra 65 % til 257 % i varierende grad). Bowland og Naskar har søkt om et prosesspatent for produksjon av selvregistrerende karbonfiberkompositter.
«Impregnerte belegg gir en ny måte å dra nytte av nye nanomaterialer som er under utvikling», sa Bowland. Studien ble støttet av forsknings- og utviklingsprosjekter ledet av ORNL-laboratoriet, publisert i tidsskriftet ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) fra American Chemical Society.
Publisert: 07. des. 2018