Згідно з останнім звітом, наступне покоління композитних матеріалів може контролювати власний структурний стан здоров'я та стати поширеним.
Вуглецеві волокнисті композити легкі та міцні, і є важливими конструкційними матеріалами для автомобілів, літаків та інших транспортних засобів. Вони складаються з полімерних підкладок, таких як епоксидні смоли, в які вбудовані армовані вуглецеві волокна. Через різні механічні властивості цих двох матеріалів, волокна відпадатимуть від підкладки під надмірним навантаженням або втомою. Це означає, що пошкодження структури вуглецевого волокнистого композиту можуть бути приховані під поверхнею і не можуть бути виявлені неозброєним оком, що може призвести до катастрофічного руйнування.
«Розуміючи внутрішню структуру композитів, можна краще оцінити їхній стан і знати, чи є якісь пошкодження, які потребують ремонту», — каже Рідж Кріс Боуленд, дослідник…
Національна лабораторія Оук-Рідж при Міністерстві енергетики США (Національна лабораторія Оук) Вігнер. «Нещодавно Аміт Наскар, керівник групи з вуглецю та композитів у Боуленді та ORNL, винайшов метод намотування смуги для намотування провідних вуглецевих волокон на напівпровідникові наночастинки карбіду кремнію. Наноматеріали вбудовані в композитні матеріали, які міцніші за інші композити, армовані волокном, і мають нову здатність контролювати стан власних структур. Коли в полімер вбудовано достатню кількість покритих волокон, волокна утворюють електричну мережу, а об'ємні композити проводять електрику. Напівпровідникові наночастинки можуть руйнувати цю електропровідність під дією зовнішніх сил, додаючи механічні та електричні функції композитам. Якщо композити розтягуються, зв'язок покритих волокон буде зруйновано, а опір матеріалу зміниться. Якщо штормова турбулентність призводить до вигину композитного крила, електричний сигнал може попередити комп'ютер літака, щоб вказати, що крило перебуває під занадто великим тиском, і запропонувати проведення випробування. Демонстрація намотування смуги ORNL принципово доводить, що цей метод може виробляти наступне покоління композитних покритих волокон у великих масштабах. Самочутливі композити, можливо, виготовлені з відновлюваних полімерних субстратів та недорогих вуглецевих волокон, можуть знайти своє місце у повсюдному...» продукти, включаючи навіть автомобілі та будівлі, надруковані на 3D-принтері. Щоб зробити волокна, вбудовані в наночастинки, дослідники встановили на ролики високопродуктивні котушки з вуглецевого волокна, а ролики просочували волокна епоксидними смолами, які містять доступні на ринку наночастинки, ширина яких приблизно дорівнює ширині вірусу (45-65 нм).
Потім волокна сушать у печі для закріплення покриття. Щоб перевірити міцність волокон, вбудованих у наночастинки, приклеєні до полімерної підкладки, дослідники виготовили композитні балки, армовані волокнами, які були розташовані в одному напрямку. Боуленд провів стрес-тест, під час якого кінці консолі були закріплені, тоді як машина, що оцінює механічні властивості, застосовувала тягу в середині балки, доки балка не зламалася. Щоб вивчити сенсорну здатність композитного матеріалу, він встановив електроди з обох боків консольної балки. У машині, відомій як «Динамічний механічний аналізатор», він зарізав один кінець, щоб консоль залишалася нерухомою. Машина прикладає силу на іншому кінці, щоб згинати підвісну балку, поки Боуленд контролює зміну опору. ORNL, постдокторант Нгок Нгуєн, провів додаткові випробування в інфрачервоному спектрометрі з перетворенням Фур'є, щоб вивчити хімічні зв'язки в композитах та покращити розуміння спостережуваної підвищеної механічної міцності. Дослідники також перевірили здатність композитів, виготовлених з різної кількості наночастинок (виміряної за характеристиками демпфування вібрацій), розсіювати енергію, що сприятиме реакції конструкційних матеріалів на удари, вібрації та інші джерела напружень і деформацій. При кожній концентрації наночастинки можуть посилити розсіювання енергії (від 65% до 257% у різному ступені). Боуленд і Наскар подали заявку на патент на процес виробництва самочутливих композитів з вуглецевого волокна.
«Просочені покриття пропонують новий спосіб використання переваг нових наноматеріалів, які розробляються», – сказав Боуленд. Дослідження було підтримано дослідницькими та розробницькими проектами, що керуються лабораторією ORNL, опублікованими в журналі ACS Applied Materials and Interfaces (Прикладні матеріали та інтерфейси) Американського хімічного товариства.
Час публікації: 07 грудня 2018 р.