Podľa najnovšej správy dokáže ďalšia generácia kompozitných materiálov monitorovať svoj vlastný štrukturálny stav a stať sa bežnou.
Kompozity z uhlíkových vlákien sú ľahké a pevné a sú dôležitými konštrukčnými materiálmi pre automobily, lietadlá a iné dopravné prostriedky. Pozostávajú z polymérnych substrátov, ako sú epoxidové živice, ktoré sú zaliate vystuženými uhlíkovými vláknami. Vzhľadom na rozdielne mechanické vlastnosti týchto dvoch materiálov vlákna pri nadmernom namáhaní alebo únave odpadnú zo substrátu. To znamená, že poškodenie štruktúry kompozitu z uhlíkových vlákien môže byť stále skryté pod povrchom a nedá sa odhaliť voľným okom, čo môže viesť ku katastrofálnemu zlyhaniu.
„Pochopením vnútra kompozitov môžete lepšie posúdiť ich stav a zistiť, či existujú nejaké poškodenia, ktoré je potrebné opraviť,“ povedal Ridge Chris Bowland, výskumník v...
Národné laboratórium Oak Ridge na Ministerstve energetiky USA (Oak National Laboratory) Wigner. „Nedávno Amit Naskar, vedúci tímu pre uhlík a kompozity v Bowlande a ORNL, vynašiel metódu valcovania pásov na navíjanie vodivých uhlíkových vlákien na polovodičové nanočastice karbidu kremíka. Tieto nanomateriály sú zabudované do kompozitných materiálov, ktoré sú pevnejšie ako iné kompozity vystužené vláknami a majú novú schopnosť monitorovať stav svojich vlastných štruktúr. Keď je do polyméru zabudovaných dostatok potiahnutých vlákien, vlákna vytvoria energetickú sieť a objemové kompozity vedú elektrinu. Polovodičové nanočastice môžu túto elektrickú vodivosť zničiť pôsobením vonkajších síl, čím sa kompozitom pridávajú mechanické a elektrické funkcie. Ak sa kompozity natiahnu, prepojenie potiahnutých vlákien sa zničí a odpor v materiáli sa zmení. Ak turbulencia búrky spôsobí ohnutie kompozitného krídla, elektrický signál môže varovať počítač lietadla, aby signalizoval, že krídlo je pod príliš veľkým tlakom a navrhol test. Demonštrácia valcovania pásov v ORNL v princípe dokazuje, že táto metóda dokáže vo veľkom meradle vyrobiť ďalšiu generáciu kompozitných potiahnutých vlákien. Samosnímacie kompozity, pravdepodobne vyrobené z obnoviteľných polymérnych substrátov a lacných uhlíkových vlákien, si môžu nájsť svoje miesto vo všadeprítomných...“ produkty, vrátane dokonca aj 3D tlačených áut a budov. Aby výskumníci mohli vyrobiť vlákna zabudované do nanočastíc, nainštalovali na valce vysokovýkonné cievky z uhlíkových vlákien a valce namočili vlákna do epoxidových živíc, ktoré obsahujú nanočastice dostupné na trhu, ktorých šírka je približne rovnaká ako šírka vírusu (45 – 65 nm).
Vlákna sa potom sušia v peci, aby sa povlak zaistil. Aby sa otestovala pevnosť vlákien zabudovaných do nanočastíc prilepených k polymérnemu substrátu, výskumníci vyrobili kompozitné nosníky vystužené vláknami, ktoré boli usporiadané v jednom smere. Bowland vykonal záťažový test, pri ktorom boli konce konzoly fixované, zatiaľ čo stroj hodnotiaci mechanické vlastnosti aplikoval tlak v strede nosníka, kým sa nosník nezlomil. Aby preskúmal schopnosť snímania kompozitného materiálu, nainštaloval elektródy na obe strany konzolového nosníka. V stroji známom ako „dynamický mechanický analyzátor“ zastrihol jeden koniec, aby udržal konzolu v nehybnej polohe. Stroj vyvíja silu na druhom konci, aby ohnul závesný nosník, zatiaľ čo Bowland monitoruje zmenu odporu. ORNL, postdoktorandský výskumník Ngoc Nguyen, vykonal ďalšie testy v infračervenom spektrometri s Fourierovou transformáciou, aby preskúmal chemické väzby v kompozitoch a zlepšil pochopenie pozorovanej zvýšenej mechanickej pevnosti. Výskumníci tiež testovali schopnosť disipatívnej energie kompozitov vyrobených z rôzneho množstva nanočastíc (merané tlmením vibrácií), čo by uľahčilo reakciu konštrukčných materiálov na otrasy, vibrácie a iné zdroje napätia a deformácie. Pri každej koncentrácii môžu nanočastice zvýšiť rozptyl energie (od 65 % do 257 % v rôznej miere). Bowland a Naskar požiadali o patent na proces výroby samosnímajúcich kompozitov z uhlíkových vlákien.
„Impregnované nátery poskytujú nový spôsob, ako využiť nové nanomateriály, ktoré sa vyvíjajú,“ povedal Bowland. Štúdiu podporili výskumné a vývojové projekty riadené laboratóriom ORNL a publikovali ju v časopise ACS Applied Materials and Interfaces (Aplikované materiály a rozhrania) Americkej chemickej spoločnosti.
Čas uverejnenia: 7. decembra 2018