Naukowcy stworzyli materiał kompozytowy, który odzyskuje swoje właściwości nawet po poważnych uszkodzeniach. Ta technologia ma potencjał, by przedłużyć okres użytkowania różnorodnych elementów pojazdów, samolotów i statków kosmicznych, teoretycznie nawet o setki lat.
Kompozyt, wytworzony przez grupę z North Carolina State Unviersity (USA), jest zdolny do autoregeneracji ponad 1000 razy. Ponadto, charakteryzuje się większą wytrzymałością niż materiały aktualnie wykorzystywane w skrzydłach samolotów, łopatkach turbin i innych zastosowaniach.
„Może to istotnie zredukować koszty oraz wysiłek związany z wymianą defektywnych elementów kompozytowych, jak również ograniczyć pobór energii i ilość odpadów generowanych przez różne sektory przemysłu – będzie mniej zniszczonych części wymagających kontroli, naprawy bądź likwidacji” – zauważył prof. Jason Patrick, pierwszy autor publikacji zamieszczonej w czasopiśmie „Proceedings of the National Academy of Sciences”.
Naukowcy wyjaśnili, że powszechnie stosowane obecnie polimery wzmacniane włóknami składają się z warstw włókien (szklanych lub węglowych), które są spajane za pomocą matrycy polimerowej, najczęściej żywicy epoksydowej.
Nowa strategia skupia się na delaminacji międzywarstwowej, która następuje, gdy pęknięcia wewnątrz kompozytu prowadzą do separacji warstw włókien od matrycy. Jest to problem, z którym inżynierowie mierzą się od blisko wieku.
„Wierzymy, że stworzona przez nas metoda samonaprawy może stanowić trwałe rozwiązanie problemu delaminacji, umożliwiając komponentom funkcjonowanie przez całe stulecia. To znacznie przekracza typowy czas eksploatacji konwencjonalnych kompozytów, który wynosi od 15 do 40 lat” – podkreśla prof. Patrick.
Nowy surowiec jest zbliżony do tradycyjnych kompozytów, ale posiada dwie dodatkowe cechy.
Po pierwsze, za pomocą techniki druku 3D, naukowcy aplikują termoplastyczny środek naprawczy na wzmocnienie z włókien, tworząc dodatkową warstwę polimerową o specjalnej strukturze, która zwiększa odporność laminatu na delaminację od dwóch do czterech razy.
Po drugie, w materiale osadzone są cienkie, węglowe warstwy grzewcze, które generują ciepło pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Ciepło to roztapia środek naprawczy, który następnie wypełnia szczeliny i mikrouszkodzenia, ponownie łącząc rozwarstwione powierzchnie.
Eksperci zaznaczyli, że w warunkach rzeczywistych proces regeneracji byłby aktywowany dopiero po uszkodzeniu materiału, na przykład w wyniku uderzeń gradu, ptaków lub innych nietypowych incydentów, lub w trakcie standardowych kontroli technicznych.
Na podstawie dotychczas przeprowadzonych rozległych testów prognozują, że materiał mógłby wytrzymać 125 lat przy naprawach dokonywanych co kwartał lub nawet 500 lat przy naprawach wykonywanych raz do roku.
„Przedstawia to oczywistą wartość dla technologii o dużym rozmiarze i wysokich kosztach, takich jak samoloty lub turbiny wiatrowe” – zaakcentował prof. Patrick.
„Może to być jednak szczególnie ważne również dla technologii takich jak pojazdy kosmiczne, które funkcjonują w środowiskach w dużej mierze nieosiągalnych, gdzie realizacja napraw konwencjonalnymi metodami na miejscu byłaby utrudniona lub nawet niemożliwa” – dodał.
Marek Matacz (PAP)
mat/ agt/