Według najnowszego raportu, materiały kompozytowe nowej generacji będą mogły samodzielnie monitorować stan swojej struktury i staną się powszechnie stosowane.
Kompozyty z włókna węglowego są lekkie i wytrzymałe, a także stanowią ważne materiały konstrukcyjne dla samochodów, samolotów i innych środków transportu. Składają się z podłoży polimerowych, takich jak żywice epoksydowe, które są osadzone wzmocnionymi włóknami węglowymi. Ze względu na różne właściwości mechaniczne obu materiałów, włókna odpadną od podłoża pod wpływem nadmiernego naprężenia lub zmęczenia. Oznacza to, że uszkodzenia struktury kompozytu z włókna węglowego mogą być nadal ukryte pod powierzchnią i nie można ich wykryć gołym okiem, co może prowadzić do katastrofalnej awarii.
„Dzięki zrozumieniu wnętrza materiałów kompozytowych można lepiej ocenić ich stan i dowiedzieć się, czy występują jakieś uszkodzenia, które należy naprawić” – powiedział Ridge Chris Bowland, badacz z
Oak Ridge National Laboratory w Departamencie Energii USA (Oak National Laboratory) Wigner. ”Niedawno Amit Naskar, szef zespołu ds. węgla i kompozytów w Bowland i ORNL, wynalazł metodę pasków tocznych do owijania przewodzących włókien węglowych na półprzewodnikowych nanocząstkach węglika krzemu. Nanomateriały są osadzone w materiałach kompozytowych, które są mocniejsze niż inne kompozyty wzmacniane włóknami i mają nową zdolność monitorowania stanu ich własnych struktur. Gdy wystarczająca liczba powlekanych włókien zostanie osadzona w polimerze, włókna tworzą sieć energetyczną, a kompozyty masowe przewodzą prąd. Nanocząstki półprzewodnikowe mogą zniszczyć tę przewodność elektryczną pod wpływem sił zewnętrznych, dodając kompozytom funkcje mechaniczne i elektryczne. Jeśli kompozyty zostaną rozciągnięte, łączność powlekanych włókien zostanie zniszczona, a opór w materiale ulegnie zmianie. Jeśli turbulencje sztormowe spowodują wygięcie skrzydła kompozytowego, sygnał elektryczny może ostrzec komputer samolotu, aby wskazać, że skrzydło jest pod zbyt dużym ciśnieniem i zasugerować test. Demonstracja pasków tocznych ORNL dowodzi w zasadzie, że metoda ta może produkować następną generację powlekanych kompozytów włókna na dużą skalę. Kompozyty samoczujne, być może wykonane z odnawialnych podłoży polimerowych i tanich włókien węglowych, mogą znaleźć swoje miejsce w powszechnych produktach, w tym nawet w samochodach i budynkach drukowanych w technologii 3D. Aby wytworzyć włókna osadzone w nanocząstkach, naukowcy zainstalowali na rolkach wysokowydajne szpule z włókna węglowego, a rolki nasączyły włókna żywicami epoksydowymi, które zawierają dostępne na rynku nanocząstki, których szerokość jest mniej więcej równa szerokości wirusa (45–65 nm).
Następnie włókna suszy się w piecu, aby zabezpieczyć powłokę. Aby przetestować wytrzymałość włókien osadzonych w nanocząsteczkach przyklejonych do podłoża polimerowego, naukowcy wykonali belki kompozytowe wzmocnione włóknami, które ułożono w One Direction. Bowland przeprowadził test naprężeń, w którym końce wspornika zostały zamocowane, podczas gdy maszyna oceniająca właściwości mechaniczne wywierała nacisk w środku belki, aż do jej uszkodzenia. Aby zbadać zdolność wykrywania materiału kompozytowego, zainstalował elektrody po obu stronach belki wspornika. W maszynie znanej jako „Dynamiczny analizator mechaniczny” przyciął jeden koniec, aby utrzymać wspornik nieruchomo. Maszyna wywiera siłę na drugim końcu, aby zgiąć belkę zawieszenia, podczas gdy Bowland monitoruje zmianę oporu. ORNL, badacz podoktorancki Ngoc Nguyen, przeprowadził dodatkowe testy w spektrometrze podczerwieni z transformacją Fouriera, aby zbadać wiązania chemiczne w kompozytach i lepiej zrozumieć zaobserwowaną zwiększoną wytrzymałość mechaniczną. Naukowcy przetestowali również zdolność rozpraszania energii kompozytów wykonanych z różnych ilości nanocząstek (mierzoną przez zachowanie tłumienia drgań), co ułatwiłoby reakcję materiałów konstrukcyjnych na wstrząsy, drgania i inne źródła naprężeń i odkształceń. Przy każdym stężeniu nanocząstki mogą zwiększyć rozpraszanie energii (od 65% do 257% w różnym stopniu). Bowland i Naskar złożyli wniosek o patent na proces produkcji samoczujących kompozytów z włókna węglowego.
„Impregnowane powłoki zapewniają nowy sposób wykorzystania nowych nanomateriałów, które są opracowywane. „Bowland powiedział. Badanie zostało wsparte projektami badawczo-rozwojowymi kierowanymi przez ORNL Laboratory, opublikowanymi w czasopiśmie ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
Czas publikacji: 07-12-2018