De acordo com o último relatório, a próxima geração de materiais compostos pode monitorar seu próprio estado de saúde estrutural e se tornar comum.
Os compósitos de fibra de carbono são leves e resistentes, sendo importantes materiais estruturais para automóveis, aeronaves e outros meios de transporte. São compostos por substratos poliméricos, como resinas epóxi, incorporados com fibras de carbono reforçadas. Devido às diferentes propriedades mecânicas dos dois materiais, as fibras se desprendem do substrato sob estresse excessivo ou fadiga. Isso significa que danos à estrutura do compósito de fibra de carbono podem permanecer ocultos abaixo da superfície e não serem detectados a olho nu, o que pode levar a uma falha catastrófica.
“Ao compreender o interior dos compósitos, você pode avaliar melhor sua saúde e saber se há algum dano que precisa ser reparado”, disse Ridge Chris Bowland, pesquisador do
Laboratório Nacional de Oak Ridge no Departamento de Energia dos EUA (Laboratório Nacional de Oak) Wigner. Recentemente, Amit Naskar, chefe da equipe de carbono e compósitos da Bowland e do ORNL, inventou um método de faixa rolante para envolver fibras de carbono condutoras em nanopartículas semicondutoras de carboneto de silício. Os nanomateriais são incorporados em materiais compósitos que são mais resistentes do que outros compósitos reforçados com fibras e têm uma nova capacidade de monitorar a saúde de suas próprias estruturas. Quando fibras revestidas suficientes são incorporadas ao polímero, as fibras formam uma rede elétrica e os compósitos em massa conduzem eletricidade. As nanopartículas semicondutoras podem destruir essa condutividade elétrica sob a ação de forças externas, adicionando funções mecânicas e elétricas aos compósitos. Se os compósitos forem esticados, a conectividade das fibras revestidas será destruída e a resistência do material mudará. Se a turbulência da tempestade fizer com que a asa composta se dobre, um sinal elétrico pode alertar o computador da aeronave para indicar que a asa está sob muita pressão e sugerir um teste. A demonstração da faixa rolante do ORNL prova, em princípio, que o método pode produzir a próxima geração de fibras revestidas compostas em uma grande Escala. Compósitos autossensoriais, talvez feitos de substratos poliméricos renováveis e fibras de carbono de baixo custo, podem encontrar seu lugar em produtos onipresentes, incluindo até mesmo carros e edifícios impressos em 3D. Para produzir fibras incorporadas em nanopartículas, os pesquisadores instalaram bobinas de fibra de carbono de alto desempenho nos rolos, e os rolos embeberam as fibras em resinas epóxi, que contêm nanopartículas disponíveis no mercado, cuja largura é aproximadamente igual à largura do vírus (45-65 nm).
As fibras são então secas no forno para fixar o revestimento. Para testar a resistência das fibras incorporadas às nanopartículas coladas ao substrato polimérico, os pesquisadores criaram vigas compósitas reforçadas com fibras, que foram dispostas em uma direção. Bowland realizou um teste de estresse no qual as extremidades do cantilever foram fixadas, enquanto a máquina que avaliava as propriedades mecânicas aplicava empuxo no meio da viga até que esta falhasse. Para estudar a capacidade de detecção do material compósito, ele instalou eletrodos em ambos os lados da viga do cantilever. Em uma máquina conhecida como "Analisador Mecânico Dinâmico", ele cortou uma extremidade para manter o cantilever estacionário. A máquina exerce força na outra extremidade para dobrar a viga de suspensão enquanto Bowland monitora a mudança de resistência. O pesquisador de pós-doutorado do ORNL, Ngoc Nguyen, conduziu testes adicionais no espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier para estudar ligações químicas em compósitos e melhorar a compreensão do aumento da resistência mecânica observado. Os pesquisadores também testaram a capacidade da energia dissipativa de compósitos feitos de diferentes quantidades de nanopartículas (medida pelo comportamento de amortecimento de vibração), o que facilitaria a resposta de materiais estruturais a choques, vibrações e outras fontes de tensão e deformação. Em cada concentração, as nanopartículas podem aumentar a dissipação de energia (de 65% a 257%, em graus variados). Bowland e Naskar solicitaram uma patente de processo para a fabricação de compósitos de fibra de carbono autossensíveis.
"Revestimentos impregnados oferecem uma nova maneira de aproveitar os novos nanomateriais que estão sendo desenvolvidos", disse Bowland. O estudo foi apoiado por projetos de pesquisa e desenvolvimento liderados pelo Laboratório ORNL, publicados no periódico ACS Applied Materials and Interfaces (Materiais e Interfaces Aplicados) da Sociedade Americana de Química.
Horário da postagem: 07/12/2018