Menurut laporan terbaru, generasi berikutnya dari material komposit dapat memantau status kesehatan strukturalnya sendiri, dan menjadi umum.
Komposit serat karbon ringan dan kokoh, serta merupakan material struktural penting untuk mobil, pesawat terbang, dan moda transportasi lainnya. Komposit ini terdiri dari substrat polimer, seperti resin epoksi, yang ditanamkan dengan serat karbon yang diperkuat. Karena perbedaan sifat mekanis kedua material tersebut, serat akan terlepas dari substrat jika mengalami tekanan berlebih atau kelelahan. Ini berarti kerusakan pada struktur komposit serat karbon mungkin masih tersembunyi di bawah permukaan dan tidak dapat dideteksi oleh mata telanjang, yang dapat menyebabkan kegagalan fatal.
“Dengan memahami bagian dalam komposit, Anda dapat menilai kesehatannya dengan lebih baik dan mengetahui apakah ada kerusakan yang perlu diperbaiki,” kata Ridge Chris Bowland, seorang peneliti di
Laboratorium Nasional Oak Ridge di Departemen Energi AS (Laboratorium Nasional Oak) Wigner. Baru-baru ini, Amit Naskar, kepala tim karbon dan komposit di Bowland dan ORNL, menemukan metode rolling stripe untuk membungkus serat karbon konduktif pada nanopartikel silikon karbida semikonduktor. Nanomaterial ini tertanam dalam material komposit yang lebih kuat daripada komposit yang diperkuat serat lainnya dan memiliki kemampuan baru untuk memantau kesehatan strukturnya sendiri. Ketika cukup banyak serat berlapis yang tertanam dalam polimer, serat-serat tersebut membentuk jaringan listrik, dan komposit massal tersebut menghantarkan listrik. Nanopartikel semikonduktor dapat menghancurkan konduktivitas listrik ini di bawah aksi gaya eksternal, menambahkan fungsi mekanis dan listrik pada komposit. Jika komposit diregangkan, konektivitas serat berlapis akan hancur dan resistansi dalam material akan berubah. Jika turbulensi badai menyebabkan sayap komposit menekuk, sinyal listrik dapat memperingatkan komputer pesawat untuk menunjukkan bahwa sayap berada di bawah tekanan yang terlalu besar dan menyarankan pengujian. Demonstrasi rolling strip ORNL pada prinsipnya membuktikan bahwa metode ini dapat menghasilkan generasi berikutnya dari serat berlapis komposit dalam skala besar. Komposit yang dapat mendeteksi sendiri, mungkin dibuat dari substrat polimer terbarukan dan serat karbon berbiaya rendah, dapat ditemukan dalam produk-produk yang ada di mana-mana, termasuk mobil dan bangunan hasil cetak 3D. Untuk membuat serat yang tertanam dalam nanopartikel, para peneliti memasang gulungan serat karbon berkinerja tinggi pada rol, dan rol tersebut merendam serat dalam resin epoksi, yang mengandung nanopartikel yang tersedia di pasaran, dengan lebar sekitar selebar virus (45-65 nm).
Serat-serat tersebut kemudian dikeringkan dalam oven untuk mengamankan lapisannya. Untuk menguji kekuatan serat yang tertanam dalam nanopartikel yang direkatkan pada substrat polimer, para peneliti membuat balok komposit yang diperkuat serat, yang disusun dalam Satu Arah. Bowland melakukan uji tegangan dengan memfiksasi ujung-ujung kantilever, sementara mesin yang mengevaluasi sifat mekanis memberikan gaya dorong di tengah balok hingga balok tersebut patah. Untuk mempelajari kemampuan penginderaan material komposit, ia memasang elektroda di kedua sisi balok kantilever. Dalam sebuah mesin yang dikenal sebagai "Dynamic mechanical analyzer", ia memotong salah satu ujungnya agar kantilever tetap diam. Mesin tersebut memberikan gaya pada ujung lainnya untuk membengkokkan balok suspensi sementara Bowland memantau perubahan resistansi. ORNL, seorang peneliti pascadoktoral bernama Ngoc Nguyen, melakukan uji tambahan dalam spektrometer Inframerah Transformasi Fourier untuk mempelajari ikatan kimia dalam komposit dan meningkatkan pemahaman tentang peningkatan kekuatan mekanis yang diamati. Para peneliti juga menguji kemampuan disipasi energi komposit yang terbuat dari berbagai jumlah nanopartikel (diukur berdasarkan perilaku peredaman getaran), yang akan memfasilitasi respons material struktural terhadap guncangan, getaran, dan sumber tegangan serta regangan lainnya. Pada setiap konsentrasi, nanopartikel dapat meningkatkan disipasi energi (dari 65% hingga 257%, dengan tingkat yang bervariasi). Bowland dan Naskar telah mengajukan paten proses untuk pembuatan komposit serat karbon yang dapat mendeteksi dirinya sendiri.
"Lapisan terimpregnasi menyediakan cara baru untuk memanfaatkan nanomaterial baru yang sedang dikembangkan," ujar Bowland. Penelitian ini didukung oleh proyek penelitian dan pengembangan yang diarahkan oleh Laboratorium ORNL, yang diterbitkan dalam jurnal ACS Applied Materials and Interfaces (Material Terapan & Antarmuka) milik American Chemical Society.
Waktu posting: 07-Des-2018