Согласно последнему отчету, следующее поколение композитных материалов сможет контролировать свое собственное структурное состояние и станет широко распространенным.
Углеродные композиты лёгкие и прочные, они являются важными конструкционными материалами для автомобилей, самолётов и других транспортных средств. Они состоят из полимерных субстратов, таких как эпоксидные смолы, в которые вмонтированы армированные углеродные волокна. Из-за различий в механических свойствах двух материалов волокна могут отслаиваться от субстрата под действием чрезмерной нагрузки или усталости. Это означает, что повреждения структуры углеродного композита могут быть скрыты под поверхностью и не быть обнаружены невооружённым глазом, что может привести к катастрофическому разрушению.
«Понимая внутреннюю структуру композитов, вы можете лучше оценить их состояние и узнать, есть ли какие-либо повреждения, которые необходимо устранить», — говорит Ридж Крис Боуленд, исследователь из
Национальная лаборатория Оук-Ридж при Министерстве энергетики США (Oak National Laboratory) Вигнер. Недавно Амит Наскар, руководитель группы по углероду и композитам в Боуленде и ORNL, изобрел метод прокатки полос для обмотки проводящих углеродных волокон на полупроводниковых наночастицах карбида кремния. Эти наноматериалы внедряются в композитные материалы, которые прочнее других армированных волокнами композитов и обладают новой способностью контролировать состояние своих структур. При внедрении достаточного количества волокон с покрытием в полимер волокна образуют электрическую сеть, и композиты в целом проводят электричество. Полупроводниковые наночастицы могут разрушать эту электропроводность под действием внешних сил, добавляя композитам механические и электрические функции. При растяжении композитов связность волокон с покрытием разрушается, и сопротивление материала изменяется. Если штормовая турбулентность приводит к изгибу композитного крыла, электрический сигнал может предупредить бортовой компьютер о том, что крыло находится под слишком высоким давлением, и потребовать проведения испытания. Демонстрация прокатки полос в ORNL в принципе доказывает, что этот метод может производить волокна с композитным покрытием следующего поколения на… В больших масштабах. Самочувствующие композиты, возможно, изготовленные из возобновляемых полимерных субстратов и недорогих углеродных волокон, могут найти применение в самых разных продуктах, включая даже автомобили и здания, напечатанные на 3D-принтере. Чтобы создать волокна, встроенные в наночастицы, исследователи установили на ролики катушки с высокопроизводительным углеродным волокном, которые затем пропитывали волокна эпоксидными смолами, содержащими доступные на рынке наночастицы, ширина которых примерно равна ширине вируса (45–65 нм).
Затем волокна сушатся в печи для закрепления покрытия. Чтобы проверить прочность волокон, встроенных в наночастицы, приклеенные к полимерной подложке, исследователи изготовили композитные балки, армированные волокнами, расположенные в одном направлении. Боуленд провел стресс-тест, в ходе которого концы консоли были закреплены, в то время как машина, оценивающая механические свойства, прикладывала усилие к середине балки до тех пор, пока балка не разрушалась. Чтобы изучить сенсорные возможности композитного материала, он установил электроды по обеим сторонам балки консоли. В машине, известной как «Динамический механический анализатор», он закрепил один конец, чтобы консоль оставалась неподвижной. Машина прилагает усилие к другому концу, изгибая подвесную балку, в то время как Боуленд отслеживает изменение сопротивления. Постдок Нгок Нгуен из ORNL провел дополнительные испытания с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра для изучения химических связей в композитах и лучшего понимания наблюдаемого повышения механической прочности. Исследователи также проверили способность композитов, изготовленных из разного количества наночастиц, рассеивать энергию (измеряемую по демпфированию вибраций), что может способствовать реакции конструкционных материалов на удары, вибрации и другие источники напряжений и деформаций. При каждой концентрации наночастицы могут усиливать рассеивание энергии (от 65% до 257% в различной степени). Боуленд и Наскар подали заявку на патент на технологию производства самочувствующихся композитов на основе углеродного волокна.
«Пропитанные покрытия открывают новый способ использования преимуществ новых наноматериалов, которые сейчас разрабатываются», — сказал Боуленд. Исследование было поддержано научно-исследовательскими проектами, проводимыми лабораторией ORNL, и опубликовано в журнале ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) Американского химического общества.
Время публикации: 07 декабря 2018 г.