Університет штату Північна Кароліна створює довговічні самовідновлювальні композити

Дослідники з Університету штату Північна Кароліна розробили композитний матеріал, здатний відновлюватися понад 1000 разів, демонструючи міцність, що перевершує звичайні композити, армовані волокном, які використовуються в літаках, вітрових турбінах та лопатях турбін. Команда оцінює, що цей підхід може продовжити термін служби стандартних композитів з десятиліть до століть.

«Це значно зменшить витрати та робочу силу, пов’язані із заміною пошкоджених композитних компонентів, а також зменшить кількість споживаної енергії та відходів, що утворюються багатьма промисловими секторами, оскільки в них буде менше зламаних деталей, які потрібно буде перевіряти, ремонтувати або викидати», - каже Джейсон Патрік, доцент кафедри цивільного, будівельного та екологічного будівництва в Університеті штату Північна Кароліна.

Композити на основі волокнистого полімеру (FRP) цінуються за їх співвідношення міцності до ваги та широко використовуються в аерокосмічній, автомобільній та відновлюваній енергетиці. Нова техніка самовідновлення спеціально спрямована на вирішення проблеми міжшарового розшарування - режиму руйнування, при якому шари волокон відокремлюються від матриці через тріщини.

Композит імітує традиційні FRP-матеріали, але має дві нові особливості. По-перше, термопластичний затвердівальний агент наноситься на шари волокон за допомогою 3D-друку, створюючи проміжний шар з полімерним малюнком, який збільшує стійкість до розшарування у два-чотири рази. По-друге, у матеріал вбудовані тонкі нагрівачі на основі вуглецю; при активації електрикою вони нагрівають термопластик, дозволяючи йому проникати в тріщини та відновлювати з'єднання шарів, відновлюючи структурну цілісність.

Щоб оцінити довговічність, дослідники створили автоматизовану систему, яка піддавала 50-міліметрове розшарування повторюваним розтягуючим силам та запускала термічне відновлення. Цей цикл повторювався 1000 разів протягом 40 днів, що на порядок перевищує попередні випробування на самовідновлення.

«Ми виявили, що стійкість до руйнування самовідновлюваного матеріалу спочатку значно перевищує показники немодифікованих композитів», - сказав Джек Турічек, провідний автор і аспірант Державного університету Північної Кароліни. «Оскільки наш композит спочатку значно міцніший за звичайні композити, цей самовідновлюваний матеріал протистоїть розтріскуванню краще, ніж ламіновані композити, що існують на даний момент, протягом щонайменше 500 циклів. І хоча його міжшарова міцність знижується після багаторазового загоєння, це відбувається дуже повільно».

На практиці відновлення відбуватиметься лише у разі виникнення пошкоджень, таких як град чи зіткнення з птахами, або під час технічного обслуговування. Моделювання показує, що при щоквартальних циклах ремонту матеріал може прослужити 125 років, а при щорічному технічному обслуговуванні - до 500 років.

«Це забезпечує очевидну цінність для великомасштабних і дорогих технологій, таких як літаки та вітрові турбіни», - каже Патрік. «Але це може бути надзвичайно важливим для таких технологій, як космічні апарати, які працюють у важкодоступних середовищах, які важко або неможливо відремонтувати традиційними методами на місці».

Дослідники також досліджували проблеми, пов'язані з багаторазовим самовідновленням, включаючи поступову втрату ефективності. Протягом багатьох циклів волокна ламаються та утворюють мікрочастинки, які обмежують область відновлення. Хімічні взаємодії на межі розділу між волокнами, полімерною матрицею та загоювальним агентом також з часом знижуються. Тим не менш, статистичне моделювання показує, що самовідновлення залишається життєздатним протягом надзвичайно тривалих часових рамок.

«Незважаючи на притаманні хіміофізичні механізми, які повільно знижують ефективність загоєння, ми передбачили, що постійне відновлення можливе за допомогою статистичного моделювання, яке добре підходить для фіксації таких явищ», - каже Кальяна Накшатрала, професор цивільного та екологічного будівництва.

«Ми раді співпрацювати з промисловими та урядовими партнерами, щоб дослідити, як цей підхід до самовідновлення можна було б інтегрувати в їхні технології, які були стратегічно розроблені для інтеграції з існуючими процесами виробництва композитів», - каже Патрік.

Адитивне виробництво дедалі більше сприяє створенню матеріалів, здатних автономно відновлювати пошкодження, вирішуючи ключову проблему в кількох галузях промисловості. Його потенціал особливо значний в аерокосмічній та оборонній галузях, де дослідження самовідновлювальних матеріалів спрямовані на подовження терміну служби компонентів, одночасно зменшуючи потреби в обслуговуванні. Досягнення в цих матеріалах підвищують надійність у середовищах, де ремонт на місці складний або неможливий, знижують експлуатаційні ризики та підтримують стабільну готовність критично важливих систем.