วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นต่อไปจะสามารถ “ตรวจจับตัวเอง” ได้หรือไม่

ตามรายงานล่าสุด ระบุว่าวัสดุคอมโพสิตรุ่นต่อไปสามารถตรวจสอบสถานะสุขภาพโครงสร้างของตัวเองได้และกลายเป็นเรื่องธรรมดาไปแล้ว

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเบาและทนทาน เป็นวัสดุโครงสร้างที่สำคัญสำหรับรถยนต์ เครื่องบิน และยานพาหนะอื่นๆ ประกอบด้วยวัสดุพอลิเมอร์ เช่น เรซินอีพอกซี ซึ่งฝังด้วยเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง เนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลที่แตกต่างกันของวัสดุทั้งสองชนิด เส้นใยจึงหลุดออกจากวัสดุเมื่อได้รับแรงกดหรือความล้ามากเกินไป ซึ่งหมายความว่าความเสียหายของโครงสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์อาจยังคงซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวและไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายร้ายแรงได้

“การทำความเข้าใจภายในของวัสดุผสมจะช่วยให้คุณประเมินสุขภาพของวัสดุได้ดีขึ้น และทราบว่ามีความเสียหายใด ๆ ที่ต้องได้รับการซ่อมแซมหรือไม่” ริดจ์ คริส โบว์แลนด์ นักวิจัยจาก

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ที่กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊ค) วิกเนอร์ เมื่อเร็วๆ นี้ อามิต นาสการ์ หัวหน้าทีมคาร์บอนและวัสดุผสมที่ Bowland และ ORNL ได้คิดค้นวิธีการม้วนเส้นใยคาร์บอนนำไฟฟ้าบนอนุภาคนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุนาโนเหล่านี้ถูกฝังอยู่ในวัสดุผสมที่มีความแข็งแรงมากกว่าวัสดุผสมเสริมแรงด้วยเส้นใยชนิดอื่นๆ และมีความสามารถใหม่ในการตรวจสอบสภาพโครงสร้างของวัสดุเอง เมื่อเส้นใยเคลือบถูกฝังลงในพอลิเมอร์ในปริมาณที่เพียงพอ เส้นใยจะรวมตัวกันเป็นโครงข่ายไฟฟ้า และคอมโพสิตจำนวนมากจะนำไฟฟ้า อนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำสามารถทำลายสภาพการนำไฟฟ้านี้ภายใต้แรงกระทำจากภายนอก เพิ่มฟังก์ชันทางกลและไฟฟ้าให้กับวัสดุผสม หากวัสดุผสมถูกยืดออก การเชื่อมต่อของเส้นใยเคลือบจะถูกทำลายและความต้านทานของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไป หากความปั่นป่วนจากพายุทำให้ปีกของคอมโพสิตโค้งงอ สัญญาณไฟฟ้าอาจแจ้งเตือนคอมพิวเตอร์ของเครื่องบินเพื่อระบุว่าปีกอยู่ภายใต้แรงกดดันมากเกินไปและแนะนำให้ทำการทดสอบ การสาธิตการใช้แถบม้วนของ ORNL พิสูจน์ในหลักการว่าวิธีการนี้สามารถผลิตเส้นใยเคลือบคอมโพสิตรุ่นต่อไปบนพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ คอมโพสิตที่ตรวจจับได้เอง ซึ่งอาจผลิตจากวัสดุพอลิเมอร์หมุนเวียนและเส้นใยคาร์บอนราคาถูก สามารถนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ทั่วไป แม้กระทั่งรถยนต์และอาคารที่พิมพ์ 3 มิติ เพื่อผลิตเส้นใยที่ฝังอยู่ในอนุภาคนาโน นักวิจัยได้ติดตั้งแกนเส้นใยคาร์บอนประสิทธิภาพสูงบนลูกกลิ้ง และลูกกลิ้งจะแช่เส้นใยในเรซินอีพอกซี ซึ่งมีอนุภาคนาโนที่มีจำหน่ายในท้องตลาด โดยมีความกว้างประมาณความกว้างของไวรัส (45-65 นาโนเมตร)

จากนั้นเส้นใยจะถูกนำไปอบแห้งในเตาอบเพื่อยึดสารเคลือบให้แน่นหนา เพื่อทดสอบความแข็งแรงของเส้นใยที่ฝังอยู่ในอนุภาคนาโนที่ยึดติดกับพื้นผิวพอลิเมอร์ นักวิจัยจึงได้สร้างคานคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใย ซึ่งจัดเรียงในทิศทางเดียว โบว์แลนด์ได้ทำการทดสอบความเค้นโดยยึดปลายคานยื่นไว้กับที่ ในขณะที่เครื่องประเมินคุณสมบัติเชิงกลจะปล่อยแรงขับดันตรงกลางคานจนกระทั่งคานหัก เพื่อศึกษาความสามารถในการตรวจจับของวัสดุคอมโพสิต เขาจึงติดตั้งอิเล็กโทรดไว้ทั้งสองด้านของคานยื่น ในเครื่องที่รู้จักกันในชื่อ "เครื่องวิเคราะห์เชิงกลแบบไดนามิก" เขาตัดปลายด้านหนึ่งเพื่อให้คานยื่นอยู่กับที่ เครื่องจะออกแรงที่ปลายอีกด้านหนึ่งเพื่อดัดคานแขวน ขณะที่โบว์แลนด์ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน ORNL นักวิจัยหลังปริญญาเอก ง็อก เหงียน ได้ทำการทดสอบเพิ่มเติมในเครื่องสเปกโตรมิเตอร์อินฟราเรดแบบแปลงฟูริเยร์ เพื่อศึกษาพันธะเคมีในวัสดุคอมโพสิต และพัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับความแข็งแรงเชิงกลที่เพิ่มขึ้นที่สังเกตได้ นักวิจัยยังได้ทดสอบความสามารถในการกระจายพลังงานของวัสดุผสมที่ทำจากอนุภาคนาโนในปริมาณต่างๆ (วัดโดยพฤติกรรมการดูดซับแรงสั่นสะเทือน) ซึ่งจะช่วยอำนวยความสะดวกในการตอบสนองของวัสดุโครงสร้างต่อแรงกระแทก แรงสั่นสะเทือน และแหล่งความเค้นและความเครียดอื่นๆ ในแต่ละความเข้มข้น อนุภาคนาโนสามารถเพิ่มการกระจายพลังงานได้ (จาก 65% เป็น 257% ในระดับที่แตกต่างกัน) โบว์แลนด์และแนสการ์ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรกระบวนการผลิตวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์แบบตรวจจับได้เอง

“การเคลือบแบบชุบสารเป็นวิธีการใหม่ในการใช้ประโยชน์จากนาโนวัสดุใหม่ๆ ที่กำลังพัฒนา” โบว์แลนด์กล่าว การศึกษานี้ได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการ ORNL ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) ของสมาคมเคมีอเมริกัน