क्या अगली पीढ़ी के नए कार्बन फाइबर पदार्थ “स्वयं-पहचान” करने में सक्षम होंगे?

नवीनतम रिपोर्ट के अनुसार, मिश्रित सामग्रियों की अगली पीढ़ी अपनी संरचनात्मक स्वास्थ्य स्थिति की निगरानी कर सकेगी, और आम हो सकेगी।

कार्बन फाइबर कंपोजिट हल्के और मज़बूत होते हैं और ऑटोमोबाइल, विमान और अन्य परिवहन साधनों के लिए महत्वपूर्ण संरचनात्मक सामग्री हैं। ये एपॉक्सी रेजिन जैसे पॉलिमर सब्सट्रेट से बने होते हैं, जो प्रबलित कार्बन फाइबर से जड़े होते हैं। दोनों सामग्रियों के अलग-अलग यांत्रिक गुणों के कारण, अत्यधिक तनाव या थकान के कारण फाइबर सब्सट्रेट से अलग हो जाते हैं। इसका मतलब है कि कार्बन फाइबर कंपोजिट संरचना को होने वाली क्षति अभी भी सतह के नीचे छिपी हो सकती है और नंगी आँखों से दिखाई नहीं देती, जिससे विनाशकारी विफलता हो सकती है।

"कंपोजिट के अंदरूनी भाग को समझकर, आप उनकी स्थिति का बेहतर आकलन कर सकते हैं और यह जान सकते हैं कि क्या कोई क्षति है जिसे ठीक करने की आवश्यकता है," रिज क्रिस बोवलैंड, एक शोधकर्ता ने कहा।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग में ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला (ओक नेशनल लेबोरेटरी) विग्नर। हाल ही में, बोलैंड और ओआरएनएल में कार्बन और कंपोजिट टीम के प्रमुख अमित नस्कर ने अर्धचालक सिलिकॉन कार्बाइड नैनोकणों पर चालक कार्बन फाइबर लपेटने के लिए एक रोलिंग स्ट्राइप विधि का आविष्कार किया है। ये नैनोमटेरियल ऐसे कंपोजिट मटीरियल में समाहित होते हैं जो अन्य फाइबर-प्रबलित कंपोजिट से अधिक मजबूत होते हैं और अपनी संरचनाओं की स्थिति की निगरानी करने की एक नई क्षमता रखते हैं। जब पर्याप्त लेपित फाइबर पॉलिमर में समाहित हो जाते हैं, तो फाइबर एक पावर ग्रिड बनाते हैं, और थोक कंपोजिट विद्युत का संचालन करते हैं। अर्धचालक नैनोकण बाहरी बलों की क्रिया के तहत इस विद्युत चालकता को नष्ट कर सकते हैं, जिससे कंपोजिट में यांत्रिक और विद्युतीय कार्य जुड़ जाते हैं। यदि कंपोजिट खिंच जाते हैं, तो लेपित फाइबर का संयोजन नष्ट हो जाएगा और सामग्री में प्रतिरोध बदल जाएगा। यदि तूफानी अशांति के कारण कंपोजिट विंग मुड़ जाता है, तो एक विद्युत संकेत विमान के कंप्यूटर को चेतावनी दे सकता है कि विंग बहुत अधिक दबाव में है और एक परीक्षण का सुझाव दे सकता है। ओआरएनएल का रोलिंग स्ट्रिप प्रदर्शन सैद्धांतिक रूप से साबित करता है कि यह विधि बड़े पैमाने पर अगली पीढ़ी के कंपोजिट लेपित फाइबर का उत्पादन कर सकती है। स्व-संवेदी संभवतः नवीकरणीय पॉलीमर सबस्ट्रेट्स और कम लागत वाले कार्बन फाइबर से बने कंपोजिट, सर्वव्यापी उत्पादों में अपनी जगह बना सकते हैं, यहाँ तक कि 3D प्रिंटेड कारों और इमारतों में भी। नैनोकणों में एम्बेडेड फाइबर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने रोलर्स पर उच्च-प्रदर्शन कार्बन फाइबर स्पूल लगाए, और रोलर्स ने फाइबर को एपॉक्सी रेजिन में भिगोया, जिसमें बाजार में उपलब्ध नैनोकण होते हैं, जिनकी चौड़ाई लगभग वायरस की चौड़ाई (45-65 नैनोमीटर) के बराबर होती है।

फिर कोटिंग को सुरक्षित करने के लिए रेशों को ओवन में सुखाया जाता है। पॉलिमर सब्सट्रेट से चिपके नैनोकणों में अंतर्निहित रेशों की मज़बूती का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रेशे-प्रबलित मिश्रित बीम बनाए, जिन्हें एक दिशा में व्यवस्थित किया गया था। बोलैंड ने एक तनाव परीक्षण किया जिसमें कैंटिलीवर के सिरे स्थिर थे, जबकि यांत्रिक गुणों का मूल्यांकन करने वाली मशीन बीम के बीच में तब तक दबाव डालती रही जब तक कि बीम विफल नहीं हो गया। मिश्रित सामग्री की संवेदन क्षमता का अध्ययन करने के लिए, उन्होंने कैंटिलीवर बीम के दोनों ओर इलेक्ट्रोड लगाए। "डायनामिक मैकेनिकल एनालाइज़र" नामक एक मशीन में, उन्होंने कैंटिलीवर को स्थिर रखने के लिए एक सिरे को क्लिप किया। मशीन दूसरे सिरे पर बल लगाकर सस्पेंशन बीम को मोड़ती है जबकि बोलैंड प्रतिरोध में परिवर्तन की निगरानी करता है। ORNL के एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता न्गोक गुयेन ने कंपोजिट में रासायनिक बंधों का अध्ययन करने और देखी गई बढ़ी हुई यांत्रिक शक्ति की समझ को बेहतर बनाने के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर में अतिरिक्त परीक्षण किए। शोधकर्ताओं ने नैनोकणों की विभिन्न मात्राओं (कंपन अवमंदन व्यवहार द्वारा मापी गई) से बने कंपोजिट की अपव्यय ऊर्जा की क्षमता का भी परीक्षण किया, जो संरचनात्मक सामग्रियों की झटकों, कंपनों और अन्य तनाव एवं विकृति स्रोतों के प्रति प्रतिक्रिया को सुगम बनाएगा। प्रत्येक सांद्रता पर, नैनोकण ऊर्जा अपव्यय को बढ़ा सकते हैं (विभिन्न अंशों में 65% से 257% तक)। बोलैंड और नास्कर ने स्व-संवेदी कार्बन फाइबर कंपोजिट के निर्माण हेतु एक प्रक्रिया पेटेंट के लिए आवेदन किया है।

बोलैंड ने कहा, "संसेचित कोटिंग्स विकसित हो रहे नए नैनोमटेरियल का लाभ उठाने का एक नया तरीका प्रदान करती हैं।" यह अध्ययन ORNL प्रयोगशाला द्वारा निर्देशित अनुसंधान और विकास परियोजनाओं द्वारा समर्थित था, और अमेरिकन केमिकल सोसाइटी की पत्रिका "एप्लाइड मैटेरियल्स एंड इंटरफेसेस" में प्रकाशित हुआ था।