Nästa generations fiberförstärkta kompositer kan vara självkännande och utfärda varningar om strukturella hot. Upphovsman:Christopher Bowland och Sherry Razo/Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi
Kolfiberkompositer - lätta och starka - är bra konstruktionsmaterial för bilar, flygplan och andra transportfordon. De består av en polymermatris, såsom epoxi, i vilka förstärkande kolfibrer har bäddats in. På grund av skillnader i de två materialens mekaniska egenskaper, fibrerna kan lossna från matrisen under överdrivna påfrestningar eller trötthet. Det betyder att skador i kolfiberkompositstrukturer kan förbli dolda under ytan, odetekterbar genom visuell inspektion, kan leda till katastrofalt misslyckande.
"Kolfiberkompositer misslyckas katastrofalt, så du kommer inte att se skador förrän hela strukturen har misslyckats, "sa Chris Bowland, en Wigner -stipendiat vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. "Genom att veta vad som händer inom kompositen, du kan bättre bedöma dess hälsa och veta om det finns skador som måste repareras. "
Nyligen, Bowland och Amit Naskar, ledare för ORNL's Carbon and Composites Group, uppfann en roll-to-roll-process för att belägga elektriskt ledande kolfibrer med halvledande kiselkarbid-nanopartiklar. Denna nanomaterialinbäddade komposit är starkare än andra fiberförstärkta kompositer och genomsyrad av en ny förmåga-förmågan att övervaka sin egen strukturella hälsa.
När tillräckligt med belagd fiber är inbäddad i en polymer, fibrerna skapar ett elektriskt nätverk och bulkkompositen blir elektriskt ledande. De halvledande nanopartiklarna kan störa denna elektriska konduktivitet som svar på applicerade krafter, lägga till en elektromekanisk funktionalitet till kompositen.
Om kompositen är ansträngd, anslutningen av de belagda fibrerna störs och det elektriska motståndet i materialet ändras. Skulle stormturbulens få en sammansatt flygplansvinga att böja sig, en elektrisk signal kan varna flygplanets dator om att vingen har utstått överdriven stress och ombedd att rekommendera en inspektion.
ORNL:s roll-to-roll-demonstration bevisade i princip att metoden kan skalas upp för hög volymproduktion av belagda fibrer för nästa generations kompositer. Självkännande kompositer, kanske tillverkad med en förnybar polymermatris och billiga kolfibrer, kunde befinna sig i allestädes närvarande produkter, även inklusive 3D-tryckta fordon och byggnader.
Bowland fästa elektroder på båda sidor om fribäraren. I en dynamisk mekanisk analysator, han spände fast ena änden för att hålla balken stilla. Analysatorn utövade kraft i den andra änden för att böja fribäraren 100 gånger. Efter var 10:e böjning, belastningen ökade, och det elektriska motståndet mättes som en funktion av stress för att kvantifiera den strukturella hälsokontrollkänsligheten. Upphovsman:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi
För att tillverka nanopartikelinbäddade fibrer, forskarna laddade spolar med högpresterande kolfiber på rullar som doppade fibern i epoxi laddad med kommersiellt tillgängliga nanopartiklar om ett viruss bredd (45–65 nanometer). Fibern torkades sedan i en ugn för att härda beläggningen.
För att testa styrkan med vilken nanopartikelinbäddade fibrer vidhäftade till polymermatrisen, forskarna gjorde fiberförstärkta kompositbalkar med fibrerna inriktade i en riktning. Bowland genomförde stresstester där båda ändarna på denna fribärning fixerades medan en maskin som bedömde mekanisk prestanda tryckte på balkens mitt tills den misslyckades. För att undersöka kompositens avkänningsmöjligheter, han fäst elektroder på båda sidor om fribäraren. I en maskin som kallas en "dynamisk mekanisk analysator, "han klämde fast den ena änden för att hålla uthängaren stillastående. Maskinen använde kraft i den andra änden för att böja strålen medan Bowland övervakade förändringen i elektrisk motstånd. ORNL postdoktor Ngoc Nguyen genomförde ytterligare tester i en Fourier-transform infraröd spektrometer för att studera kemikalier bindningar i kompositerna och förbättra förståelsen för den förbättrade mekaniska styrkan som observerades.
Forskarna testade också kompositer gjorda med olika mängder nanopartiklar för förmågan att sprida energi-mätt med vibrationsdämpande beteende-en förmåga som skulle gynna strukturella material som utsätts för stötar, skakar, och andra källor till stress och påfrestningar. Vid varje koncentration, nanopartiklarna ökade energiförlusten (med 65 till 257 procent).
Bowland och Naskar har ansökt om patent på processen för tillverkning av självavkännande kolfiberkompositer.
"Dip -beläggning erbjuder en ny väg för att använda nya nanomaterial under utveckling, Sa Bowland.
ORNL:s Laboratory Directed Research and Development Program stödde forskningen, som publiceras i ACS -tillämpade material och gränssnitt , en tidskrift för American Chemical Society.
Papperets titel är "Roll-to-Roll Processing of Silicon Carbide Nanoparticle-Deposited Carbon Fiber for Multifunctional Composites."
