Theo báo cáo mới nhất, thế hệ vật liệu composite tiếp theo có thể tự theo dõi tình trạng sức khỏe của cấu trúc và trở nên phổ biến.
Vật liệu composite sợi carbon nhẹ và chắc chắn, là vật liệu cấu trúc quan trọng cho ô tô, máy bay và các phương tiện vận tải khác. Chúng bao gồm các chất nền polyme, chẳng hạn như nhựa epoxy, được nhúng bằng sợi carbon gia cố. Do các đặc tính cơ học khác nhau của hai vật liệu, các sợi sẽ rơi ra khỏi chất nền khi chịu ứng suất hoặc mỏi quá mức. Điều này có nghĩa là hư hỏng đối với cấu trúc composite sợi carbon vẫn có thể ẩn bên dưới bề mặt và không thể phát hiện bằng mắt thường, điều này có thể dẫn đến hỏng hóc thảm khốc.
"Bằng cách hiểu được bên trong vật liệu composite, bạn có thể đánh giá tốt hơn tình trạng của chúng và biết liệu có bất kỳ hư hỏng nào cần được sửa chữa hay không", Ridge Chris Bowland, một nhà nghiên cứu tại
Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Phòng thí nghiệm quốc gia Oak) Wigner. ”Gần đây, Amit Naskar, người đứng đầu nhóm carbon và vật liệu tổng hợp tại Bowland và ORNL, đã phát minh ra phương pháp cuộn dải để quấn sợi carbon dẫn điện trên các hạt nano silicon carbide bán dẫn. Các vật liệu nano được nhúng trong các vật liệu tổng hợp mạnh hơn các vật liệu tổng hợp gia cố bằng sợi khác và có khả năng mới trong việc theo dõi tình trạng của chính các cấu trúc của chúng. Khi đủ các sợi phủ được nhúng trong polyme, các sợi sẽ tạo thành lưới điện và các vật liệu tổng hợp khối dẫn điện. Các hạt nano bán dẫn có thể phá hủy độ dẫn điện này dưới tác động của các lực bên ngoài, bổ sung các chức năng cơ học và điện cho vật liệu tổng hợp. Nếu vật liệu tổng hợp bị kéo căng, khả năng kết nối của các sợi phủ sẽ bị phá hủy và điện trở trong vật liệu sẽ thay đổi. Nếu nhiễu loạn do bão khiến cánh vật liệu tổng hợp bị cong, tín hiệu điện có thể cảnh báo máy tính của máy bay để chỉ ra rằng cánh đang chịu quá nhiều áp lực và đề xuất thử nghiệm. Cuộc trình diễn cuộn dải của ORNL chứng minh về nguyên tắc rằng phương pháp này có thể sản xuất thế hệ sợi phủ composite tiếp theo trên quy mô lớn. Vật liệu tổng hợp tự cảm biến, có thể được làm từ chất nền polyme tái tạo và carbon giá rẻ sợi, có thể tìm thấy vị trí của chúng trong các sản phẩm phổ biến, bao gồm cả ô tô và tòa nhà in 3D. Để tạo ra các sợi được nhúng trong các hạt nano, các nhà nghiên cứu đã lắp các ống sợi carbon hiệu suất cao trên các con lăn và các con lăn ngâm các sợi trong nhựa epoxy, chứa các hạt nano có sẵn trên thị trường, có chiều rộng bằng chiều rộng của vi-rút (45-65 nm).
Các sợi sau đó được sấy khô trong lò để cố định lớp phủ. Để kiểm tra độ bền của các sợi được nhúng trong các hạt nano được dán vào chất nền polyme, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các dầm composite gia cố bằng sợi, được sắp xếp theo Một hướng. Bowland đã tiến hành một thử nghiệm ứng suất trong đó các đầu của dầm đỡ được cố định, trong khi máy đánh giá các đặc tính cơ học áp dụng lực đẩy vào giữa dầm cho đến khi dầm bị hỏng. Để nghiên cứu khả năng cảm biến của vật liệu composite, ông đã lắp các điện cực ở cả hai bên của dầm đỡ. Trong một máy được gọi là "Máy phân tích cơ học động", ông đã kẹp một đầu để giữ cho dầm đỡ đứng yên. Máy tác dụng lực vào đầu kia để uốn cong dầm treo trong khi Bowland theo dõi sự thay đổi của điện trở. ORNL, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Ngọc Nguyên, đã tiến hành các thử nghiệm bổ sung trong máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier để nghiên cứu các liên kết hóa học trong vật liệu composite và cải thiện sự hiểu biết về độ bền cơ học được tăng cường quan sát thấy. Các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm khả năng tiêu tán năng lượng của vật liệu composite được tạo thành từ các lượng hạt nano khác nhau (được đo bằng hành vi giảm chấn động), điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng của vật liệu cấu trúc đối với các cú sốc, rung động và các nguồn ứng suất và biến dạng khác. Ở mỗi nồng độ, các hạt nano có thể tăng cường tiêu tán năng lượng (từ 65% đến 257% ở các mức độ khác nhau). Bowland và Naskar đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế quy trình sản xuất vật liệu composite sợi carbon tự cảm biến.
"Lớp phủ tẩm cung cấp một cách mới để tận dụng các vật liệu nano mới đang được phát triển." Bowland cho biết. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi các dự án nghiên cứu và phát triển do Phòng thí nghiệm ORNL chỉ đạo, được công bố trên tạp chí ACS Applied Materials and Interfaces (Vật liệu ứng dụng & Giao diện) của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Thời gian đăng: 07-12-2018