Næste generations kompositter kan overvåge deres egen strukturelle sundhed

Kulfiberkompositter - lette og stærke - er fantastiske strukturelle materialer til biler, fly og andre transportkøretøjer. De består af en polymermatrix, såsom epoxy, hvori der er indlejret forstærkende kulfibre. På grund af forskelle i de mekaniske egenskaber af disse to materialer, fibrene kan løsne sig fra matrixen under overdreven belastning eller træthed. Det betyder, at skader i kulfiberkompositstrukturer kan forblive skjult under overfladen, ikke kan påvises ved visuel inspektion, potentielt kan føre til katastrofal fiasko.

"Kulfiberkompositter fejler katastrofalt, så du vil ikke se skader, før hele strukturen er svigtet, "sagde Chris Bowland, en Wigner Fellow ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. "Ved at vide, hvad der foregår i det sammensatte, du kan bedre vurdere dets helbred og vide, om der er skader, der skal repareres."

For nylig, Bowland og Amit Naskar, leder af ORNL's Carbon and Composites Group, opfundet en roll-to-roll-proces til belægning af elektrisk ledende kulfiber med halvledende siliciumcarbid-nanopartikler. Denne nanomateriale-indlejrede komposit er stærkere end andre fiberforstærkede kompositter og gennemsyret af en ny evne - evnen til at overvåge sin egen strukturelle sundhed.

Når nok coated fiber er indlejret i en polymer, fibrene danner et elektrisk netværk, og bulkkompositten bliver elektrisk ledende. De halvledende nanopartikler kan forstyrre denne elektriske ledningsevne som reaktion på påførte kræfter, tilføjelse af en elektromekanisk funktionalitet til kompositten.

Hvis kompositten er belastet, forbindelsen mellem de belagte fibre forstyrres, og den elektriske modstand i materialet ændres. Skulle stormturbulens få en sammensat flyvinge til at bøje, et elektrisk signal kan advare flyets computer om, at vingen har udholdt overdreven belastning og bede om en anbefaling om en inspektion.

ORNL's roll-to-roll demonstration beviste i princippet, at metoden kunne skaleres op til højvolumenproduktion af coatede fibre til næste generations kompositter. Selvfølende kompositter, måske lavet med en vedvarende polymermatrix og billige kulfiber, kunne finde sig selv i allestedsnærværende produkter, endda inklusive 3-D-printede køretøjer og bygninger.

At fremstille nanopartikel-indlejrede fibre, forskerne fyldte spoler af højtydende kulfiber på ruller, der dyppede fiberen i epoxy fyldt med kommercielt tilgængelige nanopartikler omkring bredden af ​​en virus (45-65 nanometer). Fiberen blev derefter tørret i en ovn for at hærde dens belægning.

For at teste styrken, med hvilken nanopartikel-indlejrede fibre klæbte til polymermatrixen, forskerne lavede fiberforstærkede kompositbjælker med fibrene justeret i en retning. Bowland udførte stresstest, hvor begge ender af denne udkragning blev fastgjort, mens en maskine, der vurderede mekanisk ydeevne, skubbede på bjælkens midte, indtil den fejlede. For at undersøge kompositmaterialets sanseevne, han anbragte elektroder på begge sider af cantileveren. I en maskine kaldet en "dynamisk mekanisk analysator, "han fastspændte den ene ende for at holde udliggeren stationær. Maskinen anvendte kraft i den anden ende for at bøje strålen, mens Bowland overvåger ændringen i elektrisk modstand. ORNL postdoktor Ngoc Nguyen udførte yderligere tests i et Fourier-transform infrarødt spektrometer for at studere kemisk bindinger i kompositterne og forbedre forståelsen af ​​den forbedrede mekaniske styrke, der blev observeret.

Forskerne testede også kompositter lavet med forskellige mængder af nanopartikler for evnen til at sprede energi - målt ved vibrationsdæmpende adfærd - en evne, der ville gavne strukturelle materialer udsat for stød, ryster, og andre kilder til stress og belastning. Ved hver koncentration, nanopartiklerne øgede energispredningen (med 65 til 257 procent).

Bowland og Naskar har ansøgt om patent på processen til fremstilling af selvfølende kulfiberkompositter.

"Dip coating tilbyder en ny vej til at bruge nye nanomaterialer under udvikling, "Sagde Bowland.

ORNL's Laboratory Directed Research and Development Program støttede forskningen, som er udgivet i ACS anvendte materialer og grænseflader , et tidsskrift fra American Chemical Society.

Papirets titel er "Roll-to-Roll-behandling af siliciumcarbid-nanopartikel-deponeret kulfiber til multifunktionelle kompositter."