Glede na najnovejše poročilo lahko naslednja generacija kompozitnih materialov spremlja lastno strukturno zdravstveno stanje in postane običajna.
Kompoziti iz ogljikovih vlaken so lahki in trpežni ter pomembni konstrukcijski materiali za avtomobile, letala in druga prevozna sredstva. Sestavljeni so iz polimernih substratov, kot so epoksidne smole, v katere so vdelana ojačana ogljikova vlakna. Zaradi različnih mehanskih lastnosti obeh materialov bodo vlakna pod prekomerno obremenitvijo ali utrujenostjo odpadla s substrata. To pomeni, da so poškodbe strukture kompozita iz ogljikovih vlaken lahko še vedno skrite pod površino in jih s prostim očesom ni mogoče zaznati, kar lahko povzroči katastrofalno odpoved.
»Z razumevanjem notranjosti kompozitov lahko bolje ocenite njihovo zdravje in veste, ali je kakšna škoda, ki jo je treba popraviti,« je povedal Ridge Chris Bowland, raziskovalec na
Nacionalni laboratorij Oak Ridge pri ameriškem ministrstvu za energijo (Nacionalni laboratorij Oak) Wigner. „Pred kratkim je Amit Naskar, vodja ekipe za ogljik in kompozite pri Bowlandu in ORNL, izumil metodo valjanja trakov za ovijanje prevodnih ogljikovih vlaken na polprevodniške nanodelce silicijevega karbida. Nanomateriali so vgrajeni v kompozitne materiale, ki so močnejši od drugih kompozitov, ojačanih z vlakni, in imajo novo sposobnost spremljanja zdravja lastnih struktur. Ko je v polimer vgrajenih dovolj prevlečenih vlaken, vlakna tvorijo električno omrežje, kompoziti v razsutem stanju pa prevajajo elektriko. Polprevodniški nanodelci lahko pod vplivom zunanjih sil uničijo to električno prevodnost in kompozitom dodajo mehanske in električne funkcije. Če se kompoziti raztegnejo, se povezljivost prevlečenih vlaken uniči in upornost v materialu se spremeni. Če turbulenca nevihte povzroči upogibanje kompozitnega krila, lahko električni signal opozori računalnik letala, da je krilo pod prevelikim pritiskom in predlaga preizkus. Demonstracija valjanja trakov ORNL načeloma dokazuje, da lahko metoda v velikem obsegu proizvede naslednjo generacijo kompozitnih prevlečenih vlaken. Samozaznavalni kompoziti, morda izdelani iz obnovljivih polimernih substratov in poceni ogljikovih vlaken, lahko najdejo svoje mesto v vseprisotnih…“ izdelki, vključno s 3D-natisnjenimi avtomobili in zgradbami. Da bi izdelali vlakna, vdelana v nanodelce, so raziskovalci na valje namestili visokozmogljive tuljave iz ogljikovih vlaken, valji pa so vlakna namočili v epoksidne smole, ki vsebujejo nanodelce, ki so na voljo na trgu, katerih širina je približno enaka širini virusa (45–65 nm).
Vlakna se nato posušijo v pečici, da se premaz pritrdi. Da bi preizkusili trdnost vlaken, vdelanih v nanodelce, prilepljene na polimerno podlago, so raziskovalci izdelali kompozitne nosilce, ojačane z vlakni, ki so bili razporejeni v eno smer. Bowland je izvedel stresni test, pri katerem so bili konci konzole pritrjeni, medtem ko je stroj, ki je ocenjeval mehanske lastnosti, pritiskal na sredino nosilca, dokler se nosilec ni porušil. Da bi preučil sposobnost zaznavanja kompozitnega materiala, je na obe strani konzolnega nosilca namestil elektrode. V napravi, znani kot "dinamični mehanski analizator", je en konec prirezal, da je konzola ostala mirujoča. Stroj izvaja silo na drugem koncu, da upogne viseči nosilec, medtem ko Bowland spremlja spremembo upora. ORNL, podoktorski raziskovalec Ngoc Nguyen, je izvedel dodatne teste v infrardečem spektrometru s Fourierjevo transformacijo, da bi preučil kemične vezi v kompozitih in izboljšal razumevanje opažene povečane mehanske trdnosti. Raziskovalci so preizkusili tudi sposobnost disipativne energije kompozitov, izdelanih iz različnih količin nanodelcev (merjeno z obnašanjem dušenja vibracij), ki bi olajšala odziv strukturnih materialov na udarce, vibracije in druge vire napetosti in deformacij. Pri vsaki koncentraciji lahko nanodelci povečajo disipacijo energije (od 65 % do 257 % v različnih stopnjah). Bowland in Naskar sta zaprosila za patent za postopek izdelave samozaznavnih kompozitov iz ogljikovih vlaken.
»Impregnirani premazi ponujajo nov način izkoriščanja novih nanomaterialov, ki se razvijajo,« je dejal Bowland. Študijo so podprli raziskovalni in razvojni projekti, ki jih je vodil laboratorij ORNL, objavljeni pa so bili v reviji ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) Ameriškega kemijskega društva.
Čas objave: 7. dec. 2018