Amerikkalaisten tutkijoiden kehittämä uusiutuva materiaali kykenee uusiutumaan yli 1000 kertaa ja säilyttämään rakenteellisen eheytensä viiden vuosisadan ajan.
Sisältö
Tämä käytännössä ikuinen materiaali, joka ylittää nykyisin ilmailu- ja avaruusteollisuudessa käytettävien liitosten lujuuden, on vallankumouksellinen läpimurto materiaalitieteessä, joka voi muuttaa kokonaisia toimialoja ja poistaa tuhansia tonneja teollisuusjätettä .
Jason Patrickin johtama tutkimusryhmä Pohjois-Carolinan yliopistosta on kehittänyt itsestään korjautuvan materiaalin, joka ratkaisee 1930-luvulta asti olemassa olleen teknisen ongelman: kuitukomposiittien kerrosten välisen delaminaation. Tutkimus , joka on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä, osoittaa, että tämä läpimurto voi pidentää ilmailu- ja avaruusteollisuuden komponenttien käyttöikää vuosikymmenistä vuosisatoihin .
Tutkijat selittävät, että he keskittyivät kuituvahvistettuihin polymeerikomposiitteihin (FRP), joita arvostetaan niiden korkean lujuus-painosuhteen vuoksi ja joita käytetään laajalti lentokoneissa, autoissa, tuuliturbiineissa, avaruusaluksissa ja muissa moderneissa rakenteissa. FRP-komposiitit koostuvat kerroksista kuituja, kuten lasikuitua tai hiilikuitua, jotka on sidottu toisiinsa polymeerimatriisilla, yleensä epoksihartsilla.
Viisi vuosisataa kestävyyttä
Tutkijat ovat laskeneet, että itsestään korjautuva materiaali voi kestää 125 vuotta, jos se korjataan neljännesvuosittain, tai jopa 500 vuotta, jos regenerointi aktivoidaan kerran vuodessa . Tämä poikkeuksellinen kestävyys on jyrkässä kontrastissa tavallisten komposiittimateriaalien tyypilliseen käyttöikään, joka on 15–40 vuotta ja joita käytetään lentokoneiden siivissä, tuuliturbiineissa ja tärkeissä rakenneosissa.
”Tämä vähentää merkittävästi kustannuksia ja työmäärää, jotka liittyvät vaurioituneiden komposiittikomponenttien korvaamiseen”, selittää Jason Patrick, apulaisprofessori siviilirakentamisen ja ympäristötekniikan laitoksella Pohjois-Carolinan osavaltion yliopistossa. Teknologia myös vähentää merkittävästi energiankulutusta ja eri teollisuudenalojen tuottamaa jätemäärää, koska se poistaa tarpeen jatkuville manuaalisille tarkastuksille ja usein tapahtuville vaihdoille.
Kuinka regenerointi tapahtuu
Itseparantuva materiaali sisältää kaksi innovatiivista elementtiä, jotka täydentävät perinteistä kuituvahvistetun polymeerin komposiittirakennetta (FRP). Ensinnäkin tutkijat levittävät 3D-tulostusmenetelmällä termoplastisen kovetteen suoraan lasikuituun tai hiilikuituun, jolloin muodostuu välikerros, jossa on polymeerikuvio, joka kaksinkertaistaa tai nelinkertaistaa alkuperäisen kerrostumisen kestävyyden.
Toiseksi järjestelmään kuuluu hiilipohjaisia erittäin ohuita lämmityskerroksia, jotka on integroitu materiaaliin . Kun sähkövirta syötetään, nämä kerrokset lämpenevät ja sulattavat palautusaineen, joka tunkeutuu sisäisiin halkeamiin ja mikrohalkeamiin ja palauttaa repeytyneet rajapinnat. Tämä terminen prosessi palauttaa rakenteelliset ominaisuudet täysin vahingoittamatta materiaalin matriisia ja ilman ulkoista manuaalista puuttumista .
Kerrostuminen on komposiittimateriaalin , kuten muovin, betonin tai laminaattimateriaalien, kerrosten erottumista toisistaan riittämättömän adheesion tai koheesion vuoksi, jolloin muodostuu kuplia, halkeamia tai irtoamia, jotka vaikuttavat materiaalin lujuuteen ja toiminnallisuuteen. Se voi tapahtua monikerroksisissa materiaaleissa (kalvot, piirilevyt) tai betonissa (ilman pääsyn tai raudoitusteräksen korroosion vuoksi).
Tuhat peräkkäistä korjausta
Pitkäaikaisen kestävyyden osoittamiseksi tiimi loi automatisoidun järjestelmän, joka altisti itsestään korjautuvan materiaalin ennennäkemättömälle testille. Järjestelmä kohdisti 40 päivää yhtäjaksoisesti venytysvoimaa 50 millimetrin kerrosten muodostamiseksi, aktivoi terminen korjaus ja mittasi lujuuden jokaisen syklin jälkeen . Prosessi toistettiin 1000 kertaa peräkkäin.
”Havaitsimme, että itsestään korjautuvan materiaalin murtolujuus on alun perin huomattavasti suurempi kuin muokkaamattomien komposiittien”, sanoo Jack Turichek, tutkimuksen pääkirjoittaja ja tohtorikoulutettava Pohjois-Carolinan yliopistossa. Tulokset osoittavat, että materiaali säilyttää etunsa tavallisiin kerroksellisiin komposiitteihin nähden vähintään 500 korjausjakson ajan, ja vaikka sen kerrosten välinen lujuus heikkenee vähitellen, se tapahtuu erittäin hitaasti.
Kriittisen tärkeät ilmailu- ja avaruussovellukset
Tämä teknologia on erityisen strategisesti arvokas sovelluksissa, joissa perinteinen korjaus on käytännössä mahdotonta.
Orbitilla tai pitkäkestoisissa tehtävissä toimivissa avaruusaluksissa itsestään korjautuva materiaali voi toimia jatkuvana korjausjärjestelmänä , jolloin kalliit huolto- tai vaihto-operaatiot, jotka ovat tällä hetkellä epäkäytännöllisiä kaukaisessa avaruudessa, eivät ole enää tarpeen.
”Tämä on ehdottomasti arvokasta suurten ja kalliiden teknologioiden, kuten lentokoneiden ja tuuliturbiinien, kannalta”, Patrick sanoo. Hän kuitenkin huomauttaa, että tämä voi olla erityisen tärkeää avaruusaluksille, jotka toimivat vaikeapääsyisissä paikoissa, joissa perinteisten menetelmien avulla tapahtuva korjaus paikan päällä olisi vaikeaa tai yksinkertaisesti mahdotonta.
Miksi tehokkuus heikkenee?
Tutkimus paljasti myös mekanismit, jotka ovat vastuussa regeneratiivisen kyvyn asteittaisesta heikkenemisestä . Jatkuvassa murtumien ja paranemisen kierrossa hauraat vahvistavat kuidut hajoavat vähitellen muodostaen mikropartikkeleita, jotka rajoittavat fyysisesti materiaalien uudelleenliittämiseen käytettävissä olevia kohtia. Samanaikaisesti kemialliset reaktiot korjausaineen ja kuitujen sekä polymeerimatriisin välillä menettävät tehokkuutensa ajan myötä.
Siitä huolimatta tiimin kehittämä tilastollinen mallinnus osoittaa, että itsestään korjautuminen pysyy rakenteellisesti elinkelpoisena erittäin pitkiä aikoja. ”Huolimatta fysikaalis-kemiallisista mekanismeista, jotka vähitellen heikentävät regeneroinnin tehokkuutta, ennustamme, että jatkuva regenerointi on mahdollista”, sanoo Kalyana Nakshatrala, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja Karl F. Gauss -professori siviili- ja ympäristörakentamisessa Houstonin yliopistossa.
Välitön teollinen integrointi
Jason Patrick on patentoinut ja lisensoinut tämän teknologian startup-yrityksensä Structeryx Inc. kautta ja neuvottelee jo alan ja valtion kumppaneiden kanssa . ”Olemme iloisia voidessamme tutkia, miten tämä itsestään uudistuva lähestymistapa voidaan integroida heidän teknologioihinsa ”, tutkija selittää. Järjestelmän kaupallisen potentiaalin avain on se, että se on strategisesti suunniteltu integroitavaksi olemassa oleviin komposiittimateriaalien valmistusprosesseihin.
Työ, jonka ovat kirjoittaneet yhdessä Zach Phillips (tohtorikoulutettava Pohjois-Carolinan yliopistossa) ja Kalyana Nakshatrala (Houstonin yliopisto), on saanut tukea strategisen ympäristötutkimuksen ja -kehityksen ohjelmalta (SERDP) ja Yhdysvaltain kansalliselta tiedesäätiöltä. Tulokset ovat läpimurto, joka voi vähentää merkittävästi teollisuusjätteen määrää, huoltokustannuksia ja ympäristövaikutuksia useilla strategisilla aloilla.
