Inženjeri napravili materijal koji se sam popravlja više od 1.000 puta, produžujući trajanje na vijekove

Tim američkih inženjera razvio je vlaknasti kompozitni materijal koji može zacijeliti unutrašnja oštećenja više od 1.000 puta, rješavajući strukturnu ranjivost koja je ograničavala vijek trajanja laganih materijala koji se koriste u avionima, automobilima i vjetroturbinama od 1930-ih. Materijal cilja na uobičajeni kvar poznat kao delaminacija, u kojem se unutrašnji slojevi polimernih kompozita ojačanih vlaknima odvajaju nakon što se formiraju pukotine, uzrokujući brzi pad strukturnog integriteta.

Važan za industrije

U laboratorijskim testovima, novi kompozit je izdržao 1.000 uzastopnih ciklusa loma i zacjeljivanja tokom 40 dana. Istraživači procjenjuju da bi ova sposobnost mogla produžiti funkcionalni vijek kompozitnih komponenti sa tipičnog raspona od 15 do 40 godina na vijekove, s projekcijama do 125 godina s kvartalnim ciklusima zacjeljivanja ili 500 godina s godišnjim ciklusima zacjeljivanja.

Ovaj razvoj je važan za industrije koje se oslanjaju na lagane kompozite kako bi poboljšale efikasnost goriva i smanjile emisije. Polimerni kompoziti ojačani vlaknima pružaju visoku čvrstoću bez težine metala, ali njihova sklonost raslojavanju prisilila je operatere na skupe cikluse inspekcije, popravke i zamjene dijelova. Materijal koji se može više puta sam zacijeliti na mjestu smanjuje potrebu za proizvodnjom, otpremom i odlaganjem masivnih komponenti.

Štampani međusloj napravljen za otpornost na oštećenja

Novi materijal, opisan u studiji objavljenoj u Zborniku radova Nacionalne akademije nauka, uključuje dva ključna poboljšanja standardne kompozitne konstrukcije. Prvo, istraživači 3D-printaju termoplastično sredstvo za zacjeljivanje direktno na vlaknasto ojačanje, stvarajući međusloj s uzorkom između kompozitnih laminata. Ovaj međusloj je napravljen od poli(etilen-ko-metakrilne kiseline), poznate kao EMAA, polimera poznatog po svojim svojstvima samoobnavljanja. Odvojena istraživanja su dokumentovala kako mehaničke karakteristike EMAA čine ga pogodnim za kompozitne primjene.

EMAA međusloj čini više od čekanja da dođe do oštećenja. Prema istraživačkom timu, on čini laminat dva do četiri puta otpornijim na delaminaciju od samog početka. Jason Patrick, profesor građevinarstva i inženjerstva zaštite okoliša na Državnom univerzitetu Sjeverne Karoline i odgovarajući autor studije, rekao je da je „delaminacija bila izazov za FRP kompozite od 1930-ih“. Dodani međusloj funkcioniše poput fleksibilnog šava unutar krute strukture, smanjujući vjerovatnoću da će se materijal iznutra ljuštiti kada je pod opterećenjem.

Druga inovacija uključuje ugradnju tankih slojeva grijača na bazi ugljika unutar kompozita. Kada senzori detektuju oštećenje, električna struja prolazi kroz ove slojeve, zagrijavajući EMAA međusloj dok se ne otopi. Rastopljeni termoplast zatim teče u pukotine i mikrofrakture, ponovo povezujući oštećeni interfejs u procesu koji istraživači nazivaju „termičko obnavljanje“. Materijal za popravku je već unutar strukture, što eliminira potrebu za vanjskim zakrpama ili ljepilima.

Testiranje granica ponovljenog zacjeljivanja

Da bi procijenili dugoročne performanse, istraživački tim je izgradio automatizirani sistem koji je više puta primjenjivao zateznu silu kako bi stvorio delaminaciju dugu otprilike dva inča, zatim aktivirao proces zagrijavanja i mjerio koliko opterećenja materijal može podnijeti prije nego što ponovo pukne. Sistem je radio 1.000 ciklusa bez prekida.

Bonus video:

Vodeći autor Jack Turicek je napomenuo da kompozit u početku "značajno čvršći" od konvencionalnih verzija i da je otporniji na pucanje od postojećih laminiranih kompozita najmanje 500 ciklusa. Istraživači su izvijestili da žilavost opada s ponovljenim zacjeljivanjem, ali to čini "vrlo sporo", što omogućava projekcije produženog vijeka trajanja koje ovaj materijal izdvajaju od ranijih napora samoobnavljanja.

Testiranje predstavlja otprilike red veličine poboljšanje u odnosu na prethodni rad tima u ovom području. Iako su rezultati obećavajući, istraživači priznaju da će primjene u stvarnim uvjetima zahtijevati dodatnu validaciju, uključujući certifikacijska ispitivanja, izloženost ciklusima vlage i temperature, dugoročnu procjenu zamora i simulaciju stvarnih scenarija oštećenja poput udara grada ili udara ptica.

Smanjenje otpada od energije vjetra i šire

Ekološke implikacije su posebno značajne za sektor energije vjetra. Lopatice vjetroturbina izrađene su od istih tvrdokornih kompozitnih materijala jer moraju biti i izdržljive i fleksibilne, a istovremeno dovoljno lagane da se efikasno okretaju. Ali te osobine otežavaju recikliranje lopatica na kraju njihovog operativnog vijeka.

Prema Američkom udruženju za čistu energiju, plastika ojačana vlaknima koja se koristi u lopaticama vjetroturbina složena je za recikliranje, a većina dekomisioniranih lopatica trenutno završava na deponijama ili u spalionicama. U dokumentu organizacije navodi se da materijali lopatica nisu toksični, ali zabrinutost zbog prostora na deponijama potaknula je nekoliko evropskih zemalja da zabrane odlaganje lopatica, a slično zakonodavstvo uvedeno je u nekim američkim državama.

Krupni plan slomljene lopatice vjetroturbine na kopnu nakon uragana

Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji za obnovljivu energiju procjenjuju da bi kumulativni otpad od lopatica u Sjedinjenim Državama mogao dostići 2,2 miliona tona do 2050. godine na osnovu trenutnih stopa dekomisioniranja. Nedavni savezni izvještaj o recikliranju sistema energije vjetra dodatno ocrtava potrebe za istraživanjem i razvojem za rukovanje ovim složenim materijalima u velikim razmjerima. Vjetroturbine obično imaju projektovani vijek trajanja od oko 20 godina. Produženje vijeka trajanja lopatica putem tehnologije samoobnavljanja ne bi eliminisalo izazov recikliranja, ali bi odgodilo i smanjilo količinu otpada koji ulazi u tok odlaganja.

Potencijalne primjene protežu se izvan obnovljivih izvora energije. Patrick je rekao da bi ovaj pristup mogao smanjiti troškove, radnu snagu, potrošnju energije i otpad u više industrijskih sektora smanjenjem potrebe za zamjenom oštećenih komponenti. Dodao je da bi tehnologija mogla biti „izuzetno važna“ za svemirske letjelice, gdje popravke na mjestu događaja mogu biti teške ili nemoguće izvršiti.

╰┈➤ Program N1 televizije možete pratiti UŽIVO na ovom linku kao i putem aplikacija za Android /iPhone/iPad