วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นใหม่ถัดไปจะสามารถ “ตรวจจับตัวเอง” ได้หรือไม่

ตามรายงานล่าสุด ระบุว่าวัสดุคอมโพสิตรุ่นต่อไปสามารถตรวจสอบสถานะสุขภาพโครงสร้างของตัวเองได้และกลายเป็นเรื่องธรรมดา

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง และเป็นวัสดุโครงสร้างที่สำคัญสำหรับรถยนต์ เครื่องบิน และวิธีการขนส่งอื่นๆ ประกอบด้วยพื้นผิวโพลีเมอร์ เช่น เรซินอีพอกซี ซึ่งฝังด้วยเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง เนื่องจากคุณสมบัติทางกลของวัสดุทั้งสองชนิดต่างกัน เส้นใยจึงหลุดออกจากพื้นผิวภายใต้แรงกดหรือความล้าที่มากเกินไป ซึ่งหมายความว่าความเสียหายต่อโครงสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์อาจยังคงซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวและไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างร้ายแรงได้

“การทำความเข้าใจภายในของวัสดุผสมจะช่วยให้คุณประเมินสุขภาพของวัสดุได้ดีขึ้น และทราบว่ามีรอยเสียหายใด ๆ ที่ต้องซ่อมแซมหรือไม่” ริดจ์ คริส โบว์แลนด์ นักวิจัยจาก

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ ณ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊ค) วิกเนอร์ ”เมื่อไม่นานนี้ Amit Naskar หัวหน้าทีมคาร์บอนและคอมโพสิตที่ Bowland และ ORNL ได้คิดค้นวิธีการม้วนแถบเพื่อห่อใยคาร์บอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าบนอนุภาคนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์เซมิคอนดักเตอร์ นาโนวัสดุฝังอยู่ในวัสดุคอมโพสิตที่แข็งแกร่งกว่าคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยอื่นๆ และมีความสามารถใหม่ในการตรวจสอบสุขภาพของโครงสร้างของตัวเอง เมื่อฝังใยเคลือบในพอลิเมอร์เพียงพอแล้ว ใยจะรวมตัวเป็นโครงข่ายไฟฟ้า และคอมโพสิตจำนวนมากจะนำไฟฟ้า อนุภาคนาโนเซมิคอนดักเตอร์สามารถทำลายการนำไฟฟ้าได้ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก เพิ่มฟังก์ชันทางกลและไฟฟ้าให้กับคอมโพสิต หากคอมโพสิตถูกยืดออก การเชื่อมต่อของใยเคลือบจะถูกทำลาย และความต้านทานในวัสดุจะเปลี่ยนไป หากความปั่นป่วนของพายุทำให้ปีกคอมโพสิตโค้งงอ สัญญาณไฟฟ้าอาจเตือนคอมพิวเตอร์ของเครื่องบินเพื่อระบุว่าปีกอยู่ภายใต้แรงกดดันมากเกินไปและแนะนำให้ทดสอบ การสาธิตแถบม้วนของ ORNL พิสูจน์ในหลักการว่าวิธีการนี้สามารถผลิตใยเคลือบคอมโพสิตรุ่นต่อไปได้บนเครื่องบินขนาดใหญ่ คอมโพสิตที่ตรวจจับตัวเองได้ ซึ่งอาจทำจากสารตั้งต้นโพลีเมอร์หมุนเวียนและเส้นใยคาร์บอนราคาถูก อาจพบได้ในผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ทั่วไป รวมถึงรถยนต์และอาคารที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่อผลิตเส้นใยที่ฝังอยู่ในอนุภาคระดับนาโน นักวิจัยได้ติดตั้งแกนเส้นใยคาร์บอนประสิทธิภาพสูงบนลูกกลิ้ง และลูกกลิ้งจะแช่เส้นใยในเรซินอีพอกซีซึ่งมีอนุภาคระดับนาโนที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ซึ่งมีความกว้างประมาณความกว้างของไวรัส (45-65 นาโนเมตร)

จากนั้นจึงอบเส้นใยในเตาอบเพื่อให้สารเคลือบยึดแน่น เพื่อทดสอบความแข็งแรงของเส้นใยที่ฝังอยู่ในอนุภาคขนาดนาโนที่ติดกับพื้นผิวโพลีเมอร์ นักวิจัยจึงทำคานคอมโพสิตเสริมเส้นใยซึ่งจัดเรียงในทิศทางเดียว Bowland ได้ทำการทดสอบความเครียดโดยให้ปลายของคานยื่นยึดอยู่กับที่ ในขณะที่เครื่องจักรที่ประเมินคุณสมบัติเชิงกลจะออกแรงผลักตรงกลางคานจนกระทั่งคานหัก เพื่อศึกษาความสามารถในการตรวจจับของวัสดุคอมโพสิต เขาจึงติดตั้งอิเล็กโทรดไว้ทั้งสองด้านของคานยื่น ในเครื่องจักรที่เรียกว่า "เครื่องวิเคราะห์เชิงกลแบบไดนามิก" เขาตัดปลายด้านหนึ่งเพื่อให้คานยื่นอยู่กับที่ เครื่องจักรจะออกแรงที่ปลายอีกด้านหนึ่งเพื่องอคานแขวนในขณะที่ Bowland ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน Ngoc Nguyen ซึ่งเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอก ORNL ได้ทำการทดสอบเพิ่มเติมในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์อินฟราเรดแบบแปลงฟูเรียร์เพื่อศึกษาพันธะเคมีในคอมโพสิตและปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับความแข็งแรงเชิงกลที่เพิ่มขึ้นที่สังเกตได้ นักวิจัยยังได้ทดสอบความสามารถในการกระจายพลังงานของคอมโพสิตที่ทำจากอนุภาคนาโนในปริมาณที่แตกต่างกัน (วัดโดยการลดการสั่นสะเทือน) ซึ่งจะช่วยอำนวยความสะดวกในการตอบสนองของวัสดุโครงสร้างต่อแรงกระแทก การสั่นสะเทือน และแหล่งความเค้นและความเครียดอื่นๆ ในแต่ละความเข้มข้น อนุภาคนาโนสามารถเพิ่มการกระจายพลังงานได้ (จาก 65% เป็น 257% ในระดับที่แตกต่างกัน) Bowland และ Naskar ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรกระบวนการสำหรับการผลิตคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ตรวจจับได้เอง

“การเคลือบแบบชุบสารช่วยให้สามารถใช้ประโยชน์จากนาโนวัสดุชนิดใหม่ที่กำลังได้รับการพัฒนาได้” โบว์แลนด์กล่าว การศึกษานี้ได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการ ORNL ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) ของสมาคมเคมีอเมริกัน