Университет штата Северная Каролина разрабатывает долговечные самовосстанавливающиеся композиты

Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали композитный материал, способный восстанавливаться более 1000 раз, демонстрируя прочность, превосходящую обычные композиты, армированные волокном, используемые в самолетах, ветровых турбинах и лопастях турбин. Команда оценивает, что этот подход может продлить срок службы стандартных композитов с десятилетий до веков.

«Это значительно уменьшит расходы и рабочую силу, связанные с заменой поврежденных композитных компонентов, а также уменьшит количество потребляемой энергии и отходов, образуемых многими промышленными секторами, поскольку в них будет меньше сломанных деталей, которые нужно будет проверять, ремонтировать или выбрасывать», - говорит Джейсон Патрик, доцент кафедры. 

Композиты на основе волокнистого полимера (FRP) ценят за их соотношение прочности к весу и широко используются в аэрокосмической, автомобильной и возобновляемой энергетике. Новая техника самовосстановления специально направлена на решение проблемы межслойного расслоения - режима разрушения, при котором слои волокон отделяются от матрицы через трещины.

Композит имитирует традиционные FRP материалы, но имеет две новые особенности. Во-первых, термопластичный затвердевательный агент наносится на слои волокон с помощью 3D-печати, создавая промежуточный слой с полимерным рисунком, увеличивающий устойчивость к расслоению в два-четыре раза. Во-вторых, в материал встроены тонкие нагреватели на основе углерода; при активации электричеством они нагревают термопластик, позволяя ему проникать в трещины и восстанавливать соединение слоев, восстанавливая структурную целостность.

Для оценки долговечности исследователи создали автоматизированную систему, которая подвергала 50-миллиметровое расслоение повторяющимся растягивающим силам и запускала термическое восстановление. Этот цикл повторялся 1000 раз в течение 40 дней, что на порядок превышает предварительные испытания на самовосстановление.

"Мы обнаружили, что устойчивость к разрушению самовосстанавливаемого материала вначале значительно превышает показатели не модифицированных композитов", - сказал Джек Туричек, ведущий автор и аспирант Государственного университета Северной Каролины. «Поскольку наш композит вначале значительно прочнее обычных композитов, этот самовосстанавливаемый материал противостоит растрескиванию лучше, чем существующие на данный момент ламинированные композиты в течение по меньшей мере 500 циклов. И хотя его меж слойная крепость снижается после многократного заживления, это происходит очень медленно».

На практике восстановление происходит только в случае возникновения повреждений, таких как град или столкновение с птицами или во время технического обслуживания. Моделирование показывает, что при ежеквартальных циклах ремонта материал может прослужить 125 лет, а при ежегодном техническом обслуживании - до 500 лет.

"Это обеспечивает очевидную ценность для крупномасштабных и дорогих технологий, таких как самолеты и ветровые турбины", - говорит Патрик. Но это может быть чрезвычайно важным для таких технологий, как космические аппараты.