Naukowcy stworzyli materiał zespolony, który ulega samoregeneracji nawet w przypadku znacznych uszkodzeń. Ta innowacyjna technologia ma umożliwić przedłużenie okresu użytkowania wielu komponentów pojazdów, statków powietrznych oraz urządzeń kosmicznych, teoretycznie nawet o kilkaset lat.
Kompozyt stworzony przez zespół z North Carolina State Unviersity (USA) ma zdolność do naprawiania się ponad 1000 razy. Dodatkowo, wykazuje większą wytrzymałość niż materiały aktualnie używane w skrzydłach samolotów, łopatkach turbin i w innych zastosowaniach.
„Może to znacznie zredukować koszty oraz pracochłonność związane z wymianą zniszczonych elementów kompozytowych, jak również ograniczyć zużycie energii i ilość odpadów produkowanych przez wiele branż przemysłowych – będzie mniej defektów wymagających osobistej kontroli, naprawy lub likwidacji” – stwierdził prof. Jason Patrick, główny autor artykułu opublikowanego w magazynie „Proceedings of the National Academy of Sciences”.
Badacze objaśnili, że obecne standardowe polimery wzmocnione włóknami składają się z warstw włókien (szklanych lub węglowych), które są zespolone ze sobą za pomocą matrycy polimerowej – często żywicy epoksydowej.
Nowa koncepcja skupia się na delaminacji międzywarstwowej, która występuje, gdy pęknięcia wewnątrz kompozytu powodują separację warstw włókien od matrycy. Jest to trudność, z którą inżynierowie zmagają się od prawie wieku.
„Wierzymy, że opracowana przez nas metoda samonaprawy może stanowić trwałe rozwiązanie problemu delaminacji, umożliwiając komponentom przetrwanie przez całe stulecia. To znacząco przekracza typowy okres eksploatacji konwencjonalnych kompozytów, który oscyluje między 15 a 40 lat” – podkreśla prof. Patrick.
Nowy surowiec jest podobny do tradycyjnych kompozytów, jednak posiada dwie dodatkowe cechy.
Po pierwsze, z wykorzystaniem druku 3D, naukowcy nakładają termoplastyczny środek naprawczy na wzmocnienie z włókien, formując dodatkową warstwę polimerową o konkretnym układzie, która sprawia, że laminat staje się od dwóch do czterech razy bardziej odporny na delaminację.
Po drugie, w tworzywie umieszczono cienkie, węglowe płaszczyzny grzewcze, które nagrzewają się pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Ciepło topi środek naprawczy, który następnie wypełnia szczeliny i mikrouszkodzenia, ponownie łącząc rozwarstwione powierzchnie.
Eksperci wyjaśnili, że w rzeczywistych warunkach, proces naprawy byłby włączany dopiero po wystąpieniu uszkodzenia materiału, na przykład w wyniku uderzeń gradu, ptaków lub innych nietypowych incydentów, bądź podczas regularnych kontroli technicznych.
Na podstawie wykonanych już obszernych badań oceniają, że materiał mógłby wytrzymać 125 lat przy naprawach przeprowadzanych co trzy miesiące lub nawet 500 lat przy naprawach wykonywanych raz do roku.
„Przedstawia to niewątpliwą wartość dla technologii o dużej skali i wysokich kosztach, takich jak samoloty czy turbiny wiatrowe” – zaakcentował prof. Patrick.
„Może to być jednak szczególnie istotne także dla technologii, takich jak pojazdy kosmiczne, które działają w środowiskach w dużym stopniu niedostępnych, gdzie realizacja napraw konwencjonalnymi metodami na miejscu byłaby utrudniona lub wręcz niemożliwa” – dodał.
Marek Matacz (PAP)
mat/ agt/