Theo báo cáo mới nhất, thế hệ vật liệu composite tiếp theo có thể tự theo dõi tình trạng sức khỏe của cấu trúc và trở nên phổ biến.
Vật liệu composite sợi carbon nhẹ và bền, là vật liệu kết cấu quan trọng cho ô tô, máy bay và các phương tiện vận tải khác. Chúng bao gồm các chất nền polymer, chẳng hạn như nhựa epoxy, được nhúng trong sợi carbon gia cường. Do tính chất cơ học khác nhau của hai vật liệu, các sợi sẽ bong ra khỏi chất nền khi chịu áp lực hoặc độ mỏi quá mức. Điều này có nghĩa là hư hỏng trên cấu trúc composite sợi carbon vẫn có thể ẩn bên dưới bề mặt và không thể phát hiện bằng mắt thường, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.
"Bằng cách hiểu được bên trong vật liệu composite, bạn có thể đánh giá tốt hơn tình trạng của chúng và biết liệu có bất kỳ hư hỏng nào cần được sửa chữa hay không", Ridge Chris Bowland, một nhà nghiên cứu tại
Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Phòng thí nghiệm quốc gia Oak) Wigner. Gần đây, Amit Naskar, trưởng nhóm carbon và vật liệu composite tại Bowland và ORNL, đã phát minh ra phương pháp cuộn dải để bọc sợi carbon dẫn điện trên các hạt nano silicon carbide bán dẫn. Các vật liệu nano này được nhúng trong vật liệu composite, bền hơn các vật liệu composite gia cường sợi khác và có khả năng theo dõi tình trạng của chính cấu trúc của chúng. Khi đủ số lượng sợi phủ được nhúng vào polymer, các sợi này sẽ tạo thành một lưới điện và các vật liệu composite khối dẫn điện. Các hạt nano bán dẫn có thể phá hủy tính dẫn điện này dưới tác động của các lực bên ngoài, bổ sung các chức năng cơ học và điện cho vật liệu composite. Nếu vật liệu composite bị kéo căng, khả năng kết nối của các sợi phủ sẽ bị phá hủy và điện trở trong vật liệu sẽ thay đổi. Nếu nhiễu loạn do bão khiến cánh composite bị cong, một tín hiệu điện có thể cảnh báo máy tính của máy bay để chỉ ra rằng cánh đang chịu quá nhiều áp lực và đề xuất một thử nghiệm. Màn trình diễn cuộn dải của ORNL chứng minh về nguyên tắc rằng phương pháp này có thể sản xuất thế hệ sợi composite phủ tiếp theo trên quy mô lớn. Vật liệu composite tự cảm biến, có thể được làm từ chất nền polymer tái tạo và carbon giá rẻ Sợi có thể tìm thấy vị trí của chúng trong các sản phẩm phổ biến, bao gồm cả ô tô và tòa nhà in 3D. Để tạo ra sợi nhúng trong các hạt nano, các nhà nghiên cứu đã lắp đặt các cuộn sợi carbon hiệu suất cao trên các con lăn, và các con lăn này ngâm sợi trong nhựa epoxy, chứa các hạt nano có sẵn trên thị trường, với chiều rộng tương đương với chiều rộng của virus (45-65 nm).
Sau đó, các sợi được sấy khô trong lò để cố định lớp phủ. Để kiểm tra độ bền của các sợi được nhúng trong các hạt nano được dán vào chất nền polymer, các nhà nghiên cứu đã chế tạo các dầm composite gia cường sợi, được sắp xếp theo một hướng. Bowland đã thực hiện một thử nghiệm ứng suất, trong đó các đầu của dầm công xôn được cố định, trong khi máy đánh giá các đặc tính cơ học tác dụng lực đẩy vào giữa dầm cho đến khi dầm bị hỏng. Để nghiên cứu khả năng cảm biến của vật liệu composite, ông đã lắp đặt các điện cực ở cả hai bên của dầm công xôn. Trong một máy được gọi là "Máy phân tích cơ học động", ông đã kẹp một đầu để giữ cho dầm công xôn đứng yên. Máy tác dụng lực ở đầu kia để uốn cong dầm treo trong khi Bowland theo dõi sự thay đổi của điện trở. ORNL, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tên là Ngọc Nguyên, đã tiến hành các thử nghiệm bổ sung trên máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier để nghiên cứu các liên kết hóa học trong vật liệu composite và nâng cao hiểu biết về độ bền cơ học được tăng cường quan sát thấy. Các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm khả năng tiêu tán năng lượng của vật liệu composite được làm từ các hạt nano với hàm lượng khác nhau (được đo bằng khả năng giảm chấn động), giúp vật liệu kết cấu phản ứng tốt hơn với các cú sốc, rung động và các nguồn ứng suất và biến dạng khác. Ở mỗi nồng độ, hạt nano có thể tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng (từ 65% đến 257% ở các mức độ khác nhau). Bowland và Naskar đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế quy trình sản xuất vật liệu composite sợi carbon tự cảm biến.
"Lớp phủ tẩm cung cấp một phương pháp mới để tận dụng các vật liệu nano mới đang được phát triển", Bowland nói. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi các dự án nghiên cứu và phát triển do Phòng thí nghiệm ORNL chỉ đạo, được công bố trên tạp chí ACS Applied Materials and Interfaces (Vật liệu và Giao diện Ứng dụng) của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Thời gian đăng: 07-12-2018