Conform celui mai recent raport, următoarea generație de materiale compozite își poate monitoriza propria stare de sănătate structurală și va deveni comună.
Compozitele din fibră de carbon sunt ușoare și robuste și sunt materiale structurale importante pentru automobile, aeronave și alte mijloace de transport. Acestea constau din substraturi polimerice, cum ar fi rășinile epoxidice, care sunt încorporate cu fibre de carbon armate. Datorită proprietăților mecanice diferite ale celor două materiale, fibrele vor cădea de pe substrat sub stres sau oboseală excesivă. Aceasta înseamnă că deteriorarea structurii compozite din fibră de carbon poate fi încă ascunsă sub suprafață și nu poate fi detectată cu ochiul liber, ceea ce poate duce la defecțiuni catastrofale.
„Înțelegând interiorul compozitelor, puteți evalua mai bine starea lor de sănătate și puteți ști dacă există vreo deteriorare care trebuie reparată”, a declarat Ridge Chris Bowland, cercetător la
Laboratorul Național Oak Ridge din cadrul Departamentului de Energie al SUA (Laboratorul Național Oak) Wigner. „Recent, Amit Naskar, șeful echipei de carbon și compozite de la Bowland și ORNL, a inventat o metodă de rulare a benzilor pentru a înfășura fibre de carbon conductive pe nanoparticule semiconductoare de carbură de siliciu. Nanomaterialele sunt încorporate în materiale compozite care sunt mai puternice decât alte compozite armate cu fibre și au o nouă capacitate de a monitoriza starea propriilor structuri. Atunci când suficiente fibre acoperite sunt încorporate în polimer, fibrele formează o rețea electrică, iar compozitele în vrac conduc electricitatea. Nanoparticulele semiconductoare pot distruge această conductivitate electrică sub acțiunea forțelor externe, adăugând funcții mecanice și electrice compozitelor. Dacă compozitele sunt întinse, conectivitatea fibrelor acoperite va fi distrusă, iar rezistența din material se va schimba. Dacă turbulențele furtunii determină îndoirea aripii compozite, un semnal electric poate avertiza computerul avionului să indice că aripa este sub o presiune prea mare și să sugereze un test. Demonstrația benzii de rulare a ORNL dovedește în principiu că metoda poate produce următoarea generație de fibre acoperite compozite la scară largă. Compozite autodetectate, probabil fabricate din substraturi polimerice regenerabile și carbon cu cost redus.” fibrele își pot găsi locul în produse omniprezente, inclusiv chiar și mașini și clădiri imprimate 3D. Pentru a realiza fibre încorporate în nanoparticule, cercetătorii au instalat bobine de fibră de carbon de înaltă performanță pe role, iar rolele au înmuiat fibrele în rășini epoxidice, care conțin nanoparticule disponibile pe piață, a căror lățime este aproximativ egală cu cea a virusului (45-65 nm).
Fibrele sunt apoi uscate în cuptor pentru a fixa acoperirea. Pentru a testa rezistența fibrelor încorporate în nanoparticule lipite pe substratul polimeric, cercetătorii au realizat grinzi compozite armate cu fibre, care au fost aranjate într-o singură direcție. Bowland a efectuat un test de stres în care capetele consolei au fost fixate, în timp ce mașina care evalua proprietățile mecanice a aplicat o forță de împingere în mijlocul grinzii până când aceasta s-a rupt. Pentru a studia capacitatea de detectare a materialului compozit, a instalat electrozi pe ambele părți ale grinzii consolei. Într-o mașină cunoscută sub numele de „analizator mecanic dinamic”, a prins un capăt pentru a menține consola staționară. Mașina exercită o forță la celălalt capăt pentru a îndoi grinda de suspensie, în timp ce Bowland monitorizează schimbarea rezistenței. ORNL, cercetător postdoctoral Ngoc Nguyen, a efectuat teste suplimentare în spectrometrul cu infraroșu cu transformată Fourier pentru a studia legăturile chimice din compozite și pentru a îmbunătăți înțelegerea rezistenței mecanice sporite observate. Cercetătorii au testat, de asemenea, capacitatea energiei disipative a compozitelor realizate din diferite cantități de nanoparticule (măsurată prin comportamentul de amortizare a vibrațiilor), care ar facilita răspunsul materialelor structurale la șocuri, vibrații și alte surse de stres și deformare. La fiecare concentrație, nanoparticulele pot îmbunătăți disiparea energiei (de la 65% la 257% în grade diferite). Bowland și Naskar au solicitat un brevet de proces pentru fabricarea compozitelor din fibră de carbon autodetectate.
„Acoperirile impregnate oferă o nouă modalitate de a profita de noile nanomateriale aflate în curs de dezvoltare”, a spus Bowland. Studiul a fost susținut de proiecte de cercetare și dezvoltare conduse de Laboratorul ORNL, publicate în revista ACS Applied Materials and Interfaces (Materiale Aplicate și Interfețe) a Societății Americane de Chimie.
Data publicării: 07 dec. 2018