Et tidligt advarselssystem for skader i kompositmaterialer

Et hold ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et værktøj til at overvåge ændringer i udbredte kompositmaterialer kendt som fiberforstærkede polymerer (FRP'er), som findes i alt fra rumfart og infrastruktur til vindmøller. Det nye værktøj, integreret i disse materialer, kan hjælpe med at måle den skade, der opstår, når de bliver ældre.

"Dette giver os mulighed for at udvikle os bedre, mere træthedsbestandige kompositter, "sagde NIST -kemiker Jeff Gilman." Vi kan se, hvornår fiberen begynder at gå i stykker. Vi har nu en måde at kvantificere skaden på."

Siden 1960’erne har forskere har eksperimenteret med måder at gøre FRP'er lettere og stærkere på. Dette har ofte betydet at teste bindingen mellem fiber og harpiks. Som rapporteret i en tidligere publikation, NIST-holdet tilføjede små molekyler, der fluorescerer efter påvirkningen af ​​mekanisk kraft. Disse molekyler, kaldet "mekanoforer, "skift farve eller lys op, hjælper med at identificere bittesmå nanometerstore åbninger eller revner mellem fiberen og harpiksen.

NIST-teamet har taget denne teknologi til næste niveau ved at inkorporere mekanophoren i hele kompositharpiksen. Selvom det ikke kan ses med det blotte øje, den nyeste tilgang gør det muligt for forskere at bruge specielle mikroskopi-billeddannelsesteknikker til at måle FRP-skader. Fremgangsmåden inkorporerer en lille mængde (mindre end 0,1% masse) af et fluorescerende farvestof kaldet rhodamin, der ikke forårsager mærkbare ændringer i materialets fysiske egenskaber.

Hvis den nye mekanophor er indlejret i strukturer lavet af FRP, felttest for træthed kunne udføres billigt og regelmæssigt. Strukturer som vindmøller kan ofte let scannes for indvendige revner, selv år efter de er blevet rejst.

Indledende arbejde med dette nye værktøj afslørede også en overraskelse om FRP-skader. Når en fiber knækker, det udsender en slags "chokbølge", der bevæger sig gennem materialet, forklarede Jeremiah Woodcock, hovedforfatteren til et nyt papir om mekanophoren udgivet i Composites Science and Technology. I fortiden, det blev antaget, at det meste af skaden skete på tidspunktet for brud.

"Vi troede, at når vi så på resultaterne, der ville være en glorie af lys omkring revnen, viser mekanophorens fluorescens, " sagde Woodcock. I stedet, de fandt ud af, at der opstår skader på steder, der ligger meget fjernt fra fiberbrudpunktet. "Det er som om vi kendte til jordskælvet, men ikke vidste om tsunamien, der følger efter det."

NIST mekanophor-forskningen fandt også, at eksisterende test utilsigtet beskadigede materialets styrke. Dette har, på tur, førte designere og ingeniører til at overdesigne FRP'er. Ved at bruge mekanophoren kunne derfor, reducere energi- og produktionsomkostningerne og øge den måde, hvorpå disse materialer bruges i industrien.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.