Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har utvecklat en metod som visar hur fiberförstärkta polymerkompositmaterial som används inom fordons-, flyg- och förnybar energiindustri kan göras starkare och tuffare för att bättre motstå mekaniska eller strukturella påfrestningar över tid.
Artikeln som beskriver denna forskning, med titeln "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation", publiceras i Advanced Science och finns på tidskriftens insida.
Kompositerna har redan många bra saker för sig. De är starka och lätta i förhållande till sina metalliska motsvarigheter. De är också korrosions- och utmattningsbeständiga och kan skräddarsys för att möta specifika industriella prestandakrav. Men de är känsliga för skador från påfrestningar eftersom två olika material - styva fibrer och en mjuk matris, eller ett bindemedel - kombineras för att göra dem. Interfasen mellan de två materialen måste förbättras på grund av dess inverkan på kompositernas övergripande mekaniska egenskaper.
ORNLs Sumit Gupta sa att forskargruppen deponerade termoplastiska nanofibrer som spindelväv för att kemiskt skapa ett stödjande nätverk som tuffar mellanfasen. Deras teknik skiljer sig från konventionella metoder för att belägga fiberytorna med polymerer eller tillhandahålla en styv ställning för att förbättra bindningen mellan fibern och matrisen, vilket har visat sig vara ineffektivt och dyrt.
Gupta sa att han och teamet noggrant valde ut nanofibrerna och matrismaterialet för att skapa byggnadsställningar med stor yta eller överbryggning som en lastöverföringsväg, en mekanism genom vilken spänningen passerar mellan de förstärkande fibrerna och det omgivande matrismaterialet.
"Vår process gör det möjligt för materialet att motstå större påfrestningar. Genom att använda detta enkla, skalbara och billiga tillvägagångssätt kan vi öka kompositernas styrka med nästan 60 % och dess seghet med 100 %", sa han.
Kompositer tillverkade med ett sådant framsteg kan förbättra otaliga saker som används i vårt dagliga liv, från fordon till flygplan.
"När vi väl kände till den grundläggande vetenskapen och kemin bakom det vi hade utvecklat, blev vi övertygade om att vi hade värdefull tillämpad teknik", säger Christopher Bowland, ORNL. "Att banbryta ny teknik och förstå grundläggande vetenskap är en aspekt av det arbete vi gör. Ändå är en annan aspekt av tillämpad forskning att utforska hur tekniken kan översättas till verkliga tillämpningar för att gynna samhället. Att arbeta med ORNL:s Technology Transfer-team, en patent har lämnats in på denna forskning för att potentiellt översätta tekniken till kommersiella partners."
Bowland sa att framtida forskning ligger i olika fiber- och matrissystem som har kompatibla kemiska grupper, och forskarna planerar att utföra fler studier på själva nanofibrerna för att öka deras styrka.
Denna studie är en del av det nyinrättade Composites Core Program 2.0 från Materials Technology Program vid Vehicle Technologies Office inom DOE:s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, eller VTO-EERE. Programmet, som leds av ORNL tillsammans med deltagande labb Pacific Northwest National Laboratory och National Renewable Energy Laboratory, strävar efter att förbättra fordonseffektiviteten genom avancerad materialutveckling.
"En väg för att uppnå programmets mål är att ersätta tyngre stålkomponenter med kolfiberkompositer, som för närvarande erbjuder den bästa viktminskningspotentialen", säger Amit Naskar, ledare för ORNL:s kol- och kompositgrupp. "Att utveckla starkare och tuffare mellanfaser i högpresterande fiberförstärkta kompositer kan minska fibervolymfraktionen med förbättrad massminskning och efterföljande kostnadseffektivitet för kompositstrukturerna."
Forskargruppen använde resurser från Compute and Data Science-användaranläggningen vid ORNL för beräkningsstudier för att förstå de grundläggande bindningskrafterna. Teamet använde också atomkraftsmikroskopi vid Center for Nanophase Materials Sciences, eller CNMS, för att karakterisera styvheten eller styvheten hos den designade interfasen. CNMS är en DOE Office of Science-användaranläggning på ORNL.
Mer information: Sumit Gupta et al, Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Interphase Formation, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202305642
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
