Według najnowszego raportu, materiały kompozytowe nowej generacji będą mogły samodzielnie monitorować stan swojej struktury i staną się powszechnie stosowane.
Kompozyty z włókna węglowego są lekkie i wytrzymałe, stanowiąc ważny materiał konstrukcyjny dla samochodów, samolotów i innych środków transportu. Składają się z podłoży polimerowych, takich jak żywice epoksydowe, zatopionych we wzmocnionych włóknach węglowych. Ze względu na różne właściwości mechaniczne obu materiałów, włókna odpadną od podłoża pod wpływem nadmiernego naprężenia lub zmęczenia. Oznacza to, że uszkodzenia struktury kompozytu z włókna węglowego mogą być ukryte pod powierzchnią i niewidoczne gołym okiem, co może prowadzić do katastrofalnej awarii.
„Dzięki zrozumieniu wnętrza materiałów kompozytowych można lepiej ocenić ich stan i dowiedzieć się, czy występują jakieś uszkodzenia wymagające naprawy” – mówi Ridge Chris Bowland, badacz z
Oak Ridge National Laboratory w Departamencie Energii USA (Oak National Laboratory) Wigner. Niedawno Amit Naskar, kierownik zespołu ds. węgla i kompozytów w Bowland i ORNL, wynalazł metodę pasków tocznych, polegającą na owijaniu przewodzących włókien węglowych na półprzewodnikowych nanocząstkach węglika krzemu. Nanomateriały są osadzane w materiałach kompozytowych, które są mocniejsze niż inne kompozyty wzmacniane włóknami i posiadają nową zdolność monitorowania stanu własnych struktur. Gdy wystarczająca liczba powlekanych włókien zostanie osadzona w polimerze, włókna tworzą siatkę energetyczną, a kompozyty w postaci bryły przewodzą prąd elektryczny. Nanocząstki półprzewodnikowe mogą zniszczyć tę przewodność elektryczną pod wpływem sił zewnętrznych, dodając kompozytom funkcje mechaniczne i elektryczne. Jeśli kompozyty zostaną rozciągnięte, łączność powlekanych włókien zostanie zniszczona, a opór materiału ulegnie zmianie. Jeśli turbulencje sztormowe spowodują wygięcie skrzydła kompozytowego, sygnał elektryczny może ostrzec komputer samolotu, że skrzydło jest pod zbyt dużym ciśnieniem i zasugerować test. Demonstracja pasków tocznych w ORNL dowodzi w zasadzie, że metoda ta może produkować następną generację powlekanych kompozytów. włókien na dużą skalę. Kompozyty samoczujne, być może wykonane z odnawialnych podłoży polimerowych i tanich włókien węglowych, mogą znaleźć swoje miejsce w powszechnie dostępnych produktach, w tym nawet w samochodach i budynkach drukowanych w technologii 3D. Aby wytworzyć włókna osadzone w nanocząstkach, naukowcy zainstalowali na rolkach wysokowydajne szpule z włókna węglowego, a rolki nasączyły włókna żywicami epoksydowymi, które zawierają dostępne na rynku nanocząstki o szerokości zbliżonej do szerokości wirusa (45–65 nm).
Włókna są następnie suszone w piecu w celu zabezpieczenia powłoki. Aby przetestować wytrzymałość włókien osadzonych w nanocząsteczkach przyklejonych do podłoża polimerowego, naukowcy wykonali belki kompozytowe wzmocnione włóknami, które ułożono w układzie One Direction. Bowland przeprowadził test naprężeń, w którym końce wspornika były zamocowane, a maszyna oceniająca właściwości mechaniczne wywierała nacisk w środku belki, aż do jej zniszczenia. Aby zbadać zdolność detekcji materiału kompozytowego, zainstalował elektrody po obu stronach belki wspornika. W urządzeniu znanym jako „Dynamiczny Analizator Mechaniczny” zamocował jeden koniec, aby utrzymać wspornik w miejscu. Urządzenie wywiera siłę na drugi koniec, aby zgiąć belkę zawieszenia, podczas gdy Bowland monitoruje zmianę oporu. ORNL, badacz podoktorancki Ngoc Nguyen, przeprowadził dodatkowe testy w spektrometrze podczerwieni z transformacją Fouriera, aby zbadać wiązania chemiczne w kompozytach i lepiej zrozumieć zaobserwowaną zwiększoną wytrzymałość mechaniczną. Naukowcy przetestowali również zdolność rozpraszania energii kompozytów wykonanych z różnych ilości nanocząstek (mierzoną na podstawie tłumienia drgań), co ułatwiłoby reakcję materiałów konstrukcyjnych na wstrząsy, wibracje i inne źródła naprężeń i odkształceń. Przy każdym stężeniu nanocząstki mogą zwiększyć rozpraszanie energii (od 65% do 257% w różnym stopniu). Bowland i Naskar złożyli wniosek o patent na proces wytwarzania samoczujących kompozytów z włókna węglowego.
„Powłoki impregnowane to nowy sposób na wykorzystanie nowych, opracowywanych nanomateriałów” – powiedział Bowland. Badanie zostało wsparte projektami badawczo-rozwojowymi prowadzonymi przez Laboratorium ORNL, opublikowanymi w czasopiśmie ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
Czas publikacji: 07-12-2018