Новые технологии решают давние проблемы для себя

Исследователи-инженеры разработали новый самовосстанавливающийся композит, который позволяет конструкциям самостоятельно восстанавливаться на месте, без необходимости их вывода из эксплуатации. Эта новейшая технология решает две давние проблемы, связанные с самовосстанавливающимися материалами, и может значительно продлить срок службы структурных компонентов, таких как лопасти ветряных турбин и крылья самолетов.

«Исследователи разработали множество самовосстанавливающихся материалов, но предыдущие стратегии создания самовосстанавливающихся композитов столкнулись с двумя практическими проблемами», — говорит Джейсон Патрик, автор исследования и доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Северном университете. Университет штата Каролина. «Во-первых, материалы часто приходится выводить из эксплуатации, чтобы восстановить. Например, некоторые требуют нагрева в печи, что невозможно сделать для крупных компонентов или во время использования конкретной детали. Во-вторых, самоисцеление работает только в течение ограниченного периода времени. Например, материал может восстановиться несколько раз, после чего его свойства самовосстановления значительно уменьшатся. Мы разработали подход, который эффективно решает обе эти проблемы, сохраняя при этом прочность и другие эксплуатационные характеристики конструкционных волокнистых композитов». На практике это означает, что пользователи могут полагаться на данный структурный компонент, например лопасть ветряной турбины, в течение гораздо более длительного периода времени, не беспокоясь о выходе из строя. «Увеличивая срок службы этих композитов, мы делаем их более устойчивыми», — говорит Патрик. «И хотя лопасти ветряных турбин являются хорошим примером, конструкционные композиты используются в самых разных областях: крылья самолетов, спутники, автомобильные компоненты, спортивные товары и т. д.». Вот как работает новый самовосстанавливающийся композит, армированный волокном. Ламинированные композиты изготавливаются из слоев волокнистой арматуры, например, стекла и углеродного волокна, склеенных вместе. Повреждения чаще всего возникают, когда «клей», связывающий эти слои вместе, начинает отслаиваться от арматуры или расслаиваться. Исследовательская группа решила эту проблему путем 3D-печати рисунка термопластичного лечебного средства на армирующий материал. Исследователи также встроили в композит тонкие слои «нагревателя». При подаче электрического тока слои нагревателя нагреваются. Это, в свою очередь, расплавляет заживляющий агент, который затекает в любые трещины и микротрещины внутри композита и восстанавливает их. «Мы обнаружили, что этот процесс можно повторять по меньшей мере 100 раз, сохраняя при этом эффективность самоисцеления», — говорит Патрик. «Мы не знаем, каков верхний предел, если он существует». Напечатанный термопласт также увеличивает внутреннюю устойчивость к разрушению до 500%, а это означает, что для того, чтобы вызвать расслоение, требуется больше энергии. Кроме того, слои восстанавливающего агента и нагревателя изготовлены из легкодоступных материалов и относительно недороги. «Хотя изготовление композитов с использованием нашей конструкции будет немного дороже, затраты будут более чем компенсированы значительным продлением срока службы материала», — говорит Патрик. Еще одним преимуществом новой технологии является то, что, если она будет встроена в крылья самолета, внутренние нагревательные элементы позволят авиакомпаниям прекратить использование 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 композиты на основе полимеров для использования в конкретных целях».

Статья «Продолжительное самовосстановление in situ в структурных композитах посредством термообратимого запутывания» опубликована в открытом доступе в журнале Nature Communications. Первым автором статьи является Александр Снайдер, доктор философии. студент штата Северная Каролина. Соавторами статьи являются Закари Филлипс и Джек Туричек, доктор философии. студенты штата Северная Каролина; Чарльз Дизендрук из Техниона – Израильского технологического института; и Кальяна Накшатрала из Хьюстонского университета. Работа выполнена при поддержке Управления научных исследований ВВС США по номеру гранта FA9550-18-1-0048; и Программа стратегических экологических исследований и разработок Министерства обороны под номером гранта W912HQ21C0044.