Performancefiber med farveskiftende belægning gør mekanisk belastning synlig

Højtydende fibre, der har været udsat for høje temperaturer, mister normalt deres mekaniske egenskaber uopdaget og, i værste fald, kan rive præcist, når liv afhænger af dem. For eksempel, sikkerhedsreb, der bruges af brandvæsener eller ophængningsreb til tunge belastninger på byggepladser. Empa -forskere har nu udviklet en belægning, der ændrer farve, når den udsættes for høje temperaturer gennem friktion eller brand.

Brandmanden løber ind i den brændende bygning og søger systematisk værelse efter rum efter mennesker, der har brug for redning. Vedhæftet ham er et sikkerhedstov i den anden ende, som hans kolleger venter udenfor foran bygningen. I en nødsituation – hvis han af en eller anden grund skulle miste bevidstheden – kan de trække ham ud af bygningen eller følge ham ind i bygningen for at redde ham. Imidlertid, hvis dette reb har været udsat for overdreven varme under tidligere operationer, det kan gå i stykker. Det betyder livsfare! Og indtil nu har der ikke været nogen mulighed for at bemærke denne skade på rebet. Et team af forskere fra Empa og ETH Zürich har nu udviklet en belægning, der ændrer farve på grund af den fysiske reaktion med varme, dermed tydeligt angivet, om et reb vil fortsætte med at give den sikkerhed, det lover i fremtiden.

Forskere fra ETH Zürich og Empa udviklede et belægningssystem i 2018 som en del af en kandidatafhandling, som Empa -teamet nu kunne anvende på fibre. "Det var en proces, der involverede flere trin, "siger Dirk Hegemann fra Empas Advances Fibers lab. De første belægninger arbejdede kun på glatte overflader, så metoden skulle først tilpasses, så den også ville fungere på buede overflader. Empa har omfattende knowhow inden for belægning af fibre – Hegemann og hans team har allerede tidligere udviklet elektrisk ledende fibre (se links). Den såkaldte sputtering-proces er nu også blevet påført med succes på den seneste belægning.

Wafer-tynde lag med stor effekt

Tre lag er påkrævet for at sikre, at fiberen faktisk skifter farve, når den opvarmes. Forskerne anvender sølv på selve fiberen, i dette tilfælde PET (dvs. polyester) og VectranTM, en højteknologisk fiber. Dette tjener som en reflektor - med andre ord, som et metallisk bundlag. Dette efterfølges af et mellemlag af titanium nitrogenoxid, som sikrer at sølvet forbliver stabilt. Og først derefter følger det amorfe lag, der forårsager farveændringen:Germanium-antimon tellurium (GST), som kun er 20 nanometer tyk. Når dette lag udsættes for forhøjede temperaturer, det krystalliserer, ændre farven fra blå til hvid. Farveændringen er baseret på et fysisk fænomen kendt som interferens. To forskellige bølger (f.eks. Lys) mødes og forstærker eller svækker hinanden. Afhængigt af den kemiske sammensætning af det temperaturfølsomme lag, denne farveændring kan justeres til et temperaturområde mellem 100 og 400 grader og dermed tilpasses de mekaniske egenskaber af fibertypen.

Skræddersyede løsninger

De mulige anvendelsesområder for de farveskiftende fibre er stadig åbne, og Hegemann leder i øjeblikket efter mulige projektpartnere. Ud over sikkerhedsudstyr til brandmænd eller bjergbestigere, fibrene kan også bruges til at læsse reb i produktionsfaciliteter, på byggepladser, osv. Under alle omstændigheder, forskning i emnet er langt fra færdig. På nuværende tidspunkt, det er endnu ikke muligt at lagre fibrene i lange perioder uden at miste deres funktionalitet. "Desværre, faseændringsmaterialerne oxiderer i løbet af et par måneder, "siger Hegemann. Det betyder, at den tilsvarende faseændring - krystallisering - ikke længere finder sted, selv med varme, og rebet mister dermed sit "advarselssignal". Under alle omstændigheder, det er bevist, at princippet virker, og holdbarhed er et emne for fremtidig forskning, siger Hegemann. "Så snart de første partnere fra industrien registrerer deres interesse for vores egne produkter, fibrene kan optimeres yderligere efter deres behov."