Ukonventionel teknologi forbedrer kompositmaterialer, der er vigtige for bil-, rumfarts- og vedvarende energiindustrien

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udviklet en metode, der demonstrerer, hvordan fiberforstærkede polymer-kompositmaterialer, der bruges i bilindustrien, rumfartsindustrien og vedvarende energiindustrier, kan gøres stærkere og sejere for bedre at modstå mekaniske eller strukturelle belastninger over tid.

Artiklen, der beskriver denne forskning, med titlen "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation," er offentliggjort i Advanced Science og er vist på tidsskriftets inderside.

Kompositterne har allerede mange gode ting for sig. De er stærke og lette i forhold til deres metalliske modstykker. De er også korrosions- og udmattelsesbestandige og kan skræddersyes til at opfylde specifikke industrielle ydeevnekrav. Men de er sårbare over for skader fra belastning, fordi to forskellige materialer - stive fibre og en blød matrix eller et bindemiddel - kombineres for at fremstille dem. Interfasen mellem de to materialer skal forbedres på grund af dens indflydelse på kompositternes overordnede mekaniske egenskaber.

ORNLs Sumit Gupta sagde, at forskerholdet deponerede termoplastiske nanofibre som spindelvæv for kemisk at skabe et understøttende netværk, der hærder interfasen. Deres teknik adskiller sig fra konventionelle metoder til at belægge fiberoverfladerne med polymerer eller tilvejebringe et stift stillads for at forbedre bindingen mellem fiberen og matrixen, som har vist sig at være ineffektive og dyre.

Gupta sagde, at han og holdet omhyggeligt udvalgte nanofibrene og matrixmaterialet for at skabe stilladser med stor overflade eller bro som en belastningsoverførselsvej, en mekanisme, hvorigennem stress føres mellem de forstærkende fibre og det omgivende matrixmateriale.

"Vores proces gør det muligt for materialet at modstå større stress. Ved at bruge denne enkle, skalerbare og billige tilgang er vi i stand til at øge styrken af ​​kompositmaterialerne med næsten 60 % og dets sejhed med 100 %," sagde han.

Kompositter fremstillet med sådan en fremgang kunne forbedre utallige ting, der anvendes i vores daglige liv, fra køretøjer til fly.

"Når vi kendte den grundlæggende videnskab og kemien bag det, vi havde udviklet, blev vi sikre på, at vi havde værdifuld anvendt teknologi," sagde ORNLs Christopher Bowland. "Pionerer for ny teknologi og forståelse af grundlæggende videnskab er et aspekt af det arbejde, vi udfører. Alligevel er en anden facet af anvendt forskning at udforske, hvordan teknologien kan oversættes til virkelige applikationer til gavn for samfundet. I samarbejde med ORNL's Technology Transfer-team, en patent er blevet indgivet på denne forskning for potentielt at oversætte teknologien til kommercielle partnere."

Bowland sagde, at fremtidig forskning ligger i forskellige fiber- og matrixsystemer, der har kompatible kemiske grupper, og forskerne planlægger at udføre flere undersøgelser af selve nanofibrene for at øge deres styrke.

Denne undersøgelse er en del af det nyetablerede Composites Core Program 2.0 fra Materials Technology Program på Vehicle Technologies Office inden for DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, eller VTO-EERE. Programmet, ledet af ORNL sammen med de deltagende laboratorier Pacific Northwest National Laboratory og National Renewable Energy Laboratory, stræber efter at forbedre køretøjernes effektivitet gennem avanceret materialeudvikling.

"En vej til at nå programmets mål er at erstatte tungere stålkomponenter med kulfiberkompositter, som i øjeblikket tilbyder det bedste vægtreduktionspotentiale," sagde Amit Naskar, leder af ORNL's Carbon and Composites-gruppe. "Udvikling af stærkere og hårdere interfaser i højtydende fiberforstærkede kompositter kan reducere fibervolumenfraktionen med forbedret massereduktion og efterfølgende omkostningseffektivitet af kompositstrukturerne."

Forskerholdet brugte ressourcer fra Compute and Data Science-brugerfaciliteten på ORNL til beregningsstudier for at forstå de grundlæggende bindekræfter. Holdet brugte også atomkraftmikroskopi ved Center for Nanophase Materials Sciences, eller CNMS, for at karakterisere stivheden eller stivheden af ​​den designede interfase. CNMS er en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL.

Flere oplysninger: Sumit Gupta et al., Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Interphase Formation, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202305642

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Oak Ridge National Laboratory