Enligt den senaste rapporten kan nästa generations kompositmaterial övervaka sin egen strukturella hälsostatus och bli vanliga.
Kolfiberkompositer är lätta och robusta och är viktiga strukturmaterial för bilar, flygplan och andra transportmedel. De består av polymersubstrat, såsom epoxihartser, som är inbäddade med förstärkta kolfibrer. På grund av de två materialens olika mekaniska egenskaper kommer fibrerna att falla av substratet vid överdriven belastning eller utmattning. Detta innebär att skador på kolfiberkompositstrukturen fortfarande kan vara dolda under ytan och inte kan upptäckas med blotta ögat, vilket kan leda till katastrofala fel.
"Genom att förstå kompositmaterialens insida kan man bättre bedöma deras hälsa och veta om det finns några skador som behöver repareras", säger Ridge Chris Bowland, forskare vid
Oak Ridge National Laboratory vid USA:s energidepartement (Oak National Laboratory) Wigner. ”Nyligen uppfann Amit Naskar, chef för kol- och kompositteamet på Bowland och ORNL, en rullande stripmetod för att linda ledande kolfibrer på halvledande kiselkarbid-nanopartiklar. Nanomaterialen är inbäddade i kompositmaterial som är starkare än andra fiberförstärkta kompositer och har en ny förmåga att övervaka hälsan hos sina egna strukturer. När tillräckligt många belagda fibrer är inbäddade i polymeren bildar fibrerna ett elnät, och bulkkompositerna leder elektricitet. Halvledarnanopartiklar kan förstöra denna elektriska ledningsförmåga under påverkan av yttre krafter, vilket lägger till mekaniska och elektriska funktioner till kompositerna. Om kompositerna sträcks ut kommer de belagda fibrernas anslutningsförmåga att förstöras och resistansen i materialet kommer att förändras. Om stormturbulensen får kompositvingen att böjas kan en elektrisk signal varna planets dator för att indikera att vingen är under för mycket tryck och föreslå ett test. Demonstrationen av rullande strips från ORNL bevisar i princip att metoden kan producera nästa generation av kompositbelagda fibrer i stor skala. Självkännande kompositer, kanske tillverkade av förnybara polymersubstrat och billiga kolfibrer kan hitta sin plats i allestädes närvarande produkter, inklusive till och med 3D-printade bilar och byggnader. För att tillverka fibrer inbäddade i nanopartiklar installerade forskarna högpresterande kolfiberspolar på rullarna, och rullarna indränkte fibrerna i epoxihartser, som innehåller tillgängliga nanopartiklar på marknaden, vars bredd är ungefär lika bred som viruset (45-65 nm).
Fibrerna torkas sedan i ugnen för att säkra beläggningen. För att testa styrkan hos fibrerna inbäddade i nanopartiklar limmade till polymersubstratet tillverkade forskarna fiberförstärkta kompositbalkar, vilka arrangerades i en riktning. Bowland utförde ett stresstest där ändarna på utskjutande balk fixerades, medan maskinen som utvärderade de mekaniska egenskaperna applicerade ett tryck i mitten av balken tills balken brast. För att studera kompositmaterialets avkänningsförmåga installerade han elektroder på båda sidor av utskjutande balken. I en maskin som kallas en "dynamisk mekanisk analysator" klippte han av ena änden för att hålla utskjutande balken stationärt. Maskinen utövar kraft i den andra änden för att böja upphängningsbalken medan Bowland övervakar förändringen i resistans. ORNL, en postdoktoral forskare Ngoc Nguyen, utförde ytterligare tester i Fourier Transform Infrared-spektrometern för att studera kemiska bindningar i kompositer och förbättra förståelsen av den ökade mekaniska styrkan som observerats. Forskarna testade också förmågan hos den dissipativa energin hos kompositer gjorda av olika mängder nanopartiklar (mätt genom vibrationsdämpande beteende), vilket skulle underlätta konstruktionsmaterialens reaktion på stötar, vibrationer och andra stress- och töjningskällor. Vid varje koncentration kan nanopartiklar förbättra energiförlusten (från 65 % till 257 % i varierande grad). Bowland och Naskar har ansökt om ett processpatent för tillverkning av självkännande kolfiberkompositer.
”Impregnerade beläggningar ger ett nytt sätt att dra nytta av nya nanomaterial som utvecklas”, sa Bowland. Studien stöddes av forsknings- och utvecklingsprojekt som leds av ORNL-laboratoriet och publicerades i tidskriften ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) från American Chemical Society.
Publiceringstid: 7 december 2018