Новый механизм самовосстановления композитов

Инженеры-исследователи разработали новый самовосстанавливающийся композит, который позволяет конструкциям восстанавливаться на месте, не выводя их из эксплуатации. Эта новейшая технология решает две давние проблемы самовосстанавливающихся материалов и может значительно продлить срок службы конструктивных элементов, таких как лопасти ветряных турбин и крылья самолетов.

«Исследователи разработали множество самовосстанавливающихся материалов, но предыдущие стратегии самовосстановления композитов столкнулись с двумя практическими проблемами», — говорит Джейсон Патрик, автор исследовательской статьи и доцент кафедры гражданской, строительной и экологической инженерии в Университете штата Каролина.

«Во-первых, материалы часто должны быть выведены из эксплуатации для заживления. Например, некоторые требуют нагревания в печи, что невозможно сделать для крупных компонентов или во время использования данной детали. Во-вторых, само- заживление работает только в течение ограниченного периода времени. Например, материал может заживать несколько раз, после чего его способность к самовосстановлению значительно снижается. образом, сохраняя при этом прочностные и другие эксплуатационные характеристики конструкционных волокнистых композитов».

С практической точки зрения это означает, что пользователи могут полагаться на данный конструктивный компонент, такой как лопасть ветряной турбины, в течение гораздо более длительного периода времени, не беспокоясь об отказе.

«Повышая долговечность этих композитов, мы делаем их более устойчивыми», — говорит Патрик. «И хотя лопасти ветряных турбин являются хорошим примером, конструкционные композиты используются в самых разных областях: крыльях самолетов, спутниках, автомобильных компонентах, спортивных товарах и так далее».

Вот как работает новый самовосстанавливающийся композит, армированный волокном.

Слоистые композиты изготавливаются из слоев с армированием волокном, т.е. стекло и углеродное волокно, соединенные вместе. Повреждение чаще всего происходит, когда «клей», связывающий эти слои вместе, начинает отслаиваться от армирования или расслаиваться. Исследовательская группа решила эту проблему путем 3D-печати термопластичного заживляющего агента на армирующем материале. Исследователи также внедрили в композит тонкие «нагревательные» слои. При подаче электрического тока слои нагревателя нагреваются. Это, в свою очередь, расплавляет заживляющий агент, который затекает в любые трещины или микротрещины в композите и восстанавливает их.

Fig. 1

«Мы обнаружили, что этот процесс можно повторить не менее 100 раз, сохраняя при этом эффективность самовосстановления», — говорит Патрик. «Мы не знаем, каков верхний предел, если он вообще существует».

Печатный термопластик также повышает присущую ему устойчивость к разрушению на 500 %, а это означает, что в первую очередь требуется больше энергии для того, чтобы вызвать расслоение. Кроме того, заживляющий агент и слои нагревателя изготовлены из легкодоступных материалов и относительно недороги.

«Хотя изготовление композитов, включающих наш дизайн, будет немного дороже, стоимость будет более чем компенсирована за счет значительного увеличения срока службы материала», — говорит Патрик.

Еще одним преимуществом новой технологии является то, что внутренние нагревательные элементы, встроенные в крылья самолета, позволят авиакомпаниям отказаться от использования химических реагентов для удаления льда с крыльев, когда самолет находится на земле, а также для удаления льда в полете.

«Мы продемонстрировали, что эта многофункциональная технология работает, — говорит Патрик. «Сейчас мы ищем государственных и отраслевых партнеров, которые помогут нам адаптировать эти полимерные композиты для использования в конкретных приложениях».

Источник: Alexander D. Snyder, Zachary J. Phillips, Jack S. Turicek, Charles E. Diesendruck, Kalyana B. Nakshatrala, Jason F. Patrick. Prolonged in situ self-healing in structural composites via thermo-reversible entanglement. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-33936-z