Hvad hvis flyvemaskiner kunne reparere deres egen skade?

Flyvemaskiner er himmelstrøg; et kommercielt passagerfly er over 6, 000 gange så tung som en stor canadisk gås. Ved 500 mph, imidlertid, disse besætninger er ikke uigennemtrængelige for påvirkning, selv fra den tilsyneladende uskadelige gås. Sådanne skader kan resultere i en række problemer, fra udsving i lufttryk og højde.

USC -forskere har udviklet et nyt materiale, der kan løse sådanne slagskader i luften, så snart det sker. Holdet, ledet af Qiming Wang, Stephen Schrank Early Career Chair og adjunkt i Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, skabt 3-D gitterstrukturer-strukturer med gentagne celler-der autonomt vil komme sig efter slagskader, først genoprette strukturens oprindelige form og derefter helbrede de fatale brud eller brud i materialet.

"Traditionelt set gitterstrukturer, mens den er let, har lav skadetolerance, betyder, hvis der er indflydelse, det vil let sprede sig, i sidste ende kompromittere strukturen. Materialet, vi skabte, har høj skades tolerance, "Sagde Wang.

Det nye materiale er kendetegnet ved høj styrke og stivhed. I modsætning til traditionelle selvhelbredende materialer, Wang sagde, i tilfælde af brud, der kræves ingen manuel indgriben. "Du behøver ikke at skubbe de brækkede stykker sammen igen for at muliggøre heling af materialet, "Wang sagde." Formhukommelsen, der er karakteristisk for vores nye materiale, betyder, at de brækkede stykker vil rette sig selv tilbage til den oprindelige form autonomt, før påbegyndelse af helbredelse af de enkelte bindinger. "

Forskerholdet omfatter:USC Viterbi Ph.D. studerende Kunhao Yu, Haixu Du, En Xin, Kyung Hoon Lee, og Zhangzhengrong Feng; Professor i Sonny Astani Institut for Civil- og Miljøteknik Sami F. Masri; Professor i Daniel J Epstein Department of Industrial and Systems Engineering Yong Chen; og University of Missouri Department of Mechanical and Aerospace Engineering Professor Guoliang Huang. Deres arbejde blev offentliggjort i NPG Asia Materials .

Selvhelbredende, Form, der kan huskes og fotograferes

3D-gitterstrukturer er ikke lette at fremstille. Wang sagde:"Den eksisterende metode-laminatlag for lag-er tidskrævende." Imidlertid, Wang sagde, for at kunne bruge 3D-udskrivning, du er begrænset til bestemte materialer. Disse materialer mangler de egenskaber, der er nødvendige for autonom selvhelbredelse.

For at skabe et nyt materiale, der havde alle de ønskede egenskaber, forskerne byggede på en tidligere innovation:et mere gummilignende selvhelbredende materiale med dynamiske bindinger (disulfidbindinger), der udløser selvhelbredelse. Når disse bindinger går i stykker, anvendelsen af ​​varme skubber dem sammen igen for at reformere de oprindelige bindinger. Selvom det kan helbrede sig selv, det gummilignende materiale var for blødt til at bære meget vægt.

For at inkorporere de egenskaber, der er nødvendige for at nå deres mål, forskerne tilføjede krystallinske domæner - polymerer med høj stivhed og lydhørhed over for varme. "Materialet er stærkt som teflon. I vores undersøgelser har vi fandt ud af, at materialet kunne understøtte 1, 000 gange sin egen vægt, "Sagde Wang.

Da forskerne indarbejdede de krystallinske domæner, de tilføjede også en anden nøgleegenskab:formhukommelse, hvilket betyder, at polymererne husker strukturens oprindelige form.

For at nå alle deres mål, forskerne tilføjede også den kemiske akrylatgruppe (bruges ofte i klæbemidler), hvilket gjorde materialet fotokurrerbart, eller reaktiv, når materialet udsættes for lys. Denne egenskab var afgørende for brugen af ​​en 3D-trykningsteknik kaldet stereolitografi, hvormed lys får det flydende materiale til at størkne lag for lag til dannelse af faste gitterstrukturer.

Når der opstår skader, et materiale udviser normalt to former for deformation:en bule eller formændring og strukturelle brud (brudte bindinger). Traditionelt set med eksisterende selvhelbredelige materialer, Wang sagde, at brud kunne helbredes, men ikke før manuel omstilling af de brudte stykker fandt sted - dybest set skubbe objektet sammen igen til dets oprindelige form. Med det nye materiale, formgenopretning og brudreparation sker begge autonomt, med anvendelse af varme.

Processen begynder med virkningen. Når en struktur er beskadiget, fjernvarme - påført ved 80 grader Celsius (ca. 176 grader Fahrenheit) i undersøgelsen - påføres for at starte formgenoprettelsesprocessen. I dette tilfælde, forskerne skabte en sidevinge og smadrede en vægt ind i den. Når den er beskadiget, varmen blev påført. Vingens oprindelige form blev genoprettet inden for to minutter. Under konstant varme, de brækkede stykker begynder at reformere bindinger og helbrede. Efter seks timer, materialet vendte tilbage til sin oprindelige styrke og struktur.

I dette studie, forskerne gennemførte ti cyklusser af skader og helbredelse med den samme struktur. Selv efter den tiende cyklus, strukturen opretholdt det samme niveau af mekanisk integritet som oprindeligt.

Fly, Tog og biler

Disse nye gitterstrukturer kunne bruges til at forstærke et vilkårligt antal køretøjer, fra fly til bil. "Når der sker en ulykke, reparation af buler og revner på en karosseri er altid meget besværligt, "Sagde Wang." Men hvis karosseriet var lavet af vores nye gitterstrukturer, denne reparation kan ske autonomt, vende kroppen tilbage til sin oprindelige form og funktion, uden ekstra omkostninger eller overdrevne reparationstider. "

Praktisk talt, Wang ser dette materiale arbejde sammen med sensorer. Hvis sensoren optager stødskader, en varmelegeme vil blive udløst, begynder helingsprocessen. Andre applikationer omfatter forsvarskøretøjer, såsom tanke, eller skudsikre veste/rustninger. Wang sagde, at dette materiale kunne tilbyde længere brugsperioder og bedre skadetolerance for nøgledele.

En anden applikation er et direkte resultat af formhukommelsen og selve helbredende egenskaber. Wang sagde, at hvis du skærer eller ændrer en struktur for at omdanne den til en anden-for eksempel fra en trekant til en kagome (stjernebaseret) form, du kan indstille materialet til at udvise forskellige kvaliteter, for eksempel, dæmpning versus transmission af visse vibrationsfrekvenser. Når en sådan anvendelse er fuldført, påføring af varme vil returnere strukturen til sin oprindelige form.