Naukowcy zajmujący się inżynierią lotniczą i materiałoznawstwem na uniwersytecie Texas A&M odkryli nowe właściwości niezwykle wytrzymałego, nadającego się do recyklingu, inteligentnego tworzywa sztucznego, co otwiera drogę do przełomowych zastosowań w przemyśle obronnym, lotniczym i motoryzacyjnym.
Przełomowe odkrycie — sfinansowane przez Departament Obrony USA i opublikowane w czasopismach Macromolecules oraz Journal of Composite Materials — zostało przeprowadzone pod kierownictwem dr. Mohammada Naraghiego, dyrektora Nanostructured Materials Lab i profesora inżynierii lotniczej na Texas A&M, w ścisłej współpracy z dr. Andreasem Polycarpou z University of Tulsa.
W swojej pracy badali integralność mechaniczną, odzyskiwanie kształtu i właściwości samonaprawiające zaawansowanego kompozytu z włókna węglowego i tworzywa sztucznego zwanego aromatycznym kopoliestrem termoutwardzalnym (ATSP)
Samonaprawa na żądanie
ATSP otwiera nowe możliwości w branżach, w których wydajność i niezawodność mają kluczowe znaczenie, a awaria nie wchodzi w grę.
„W zastosowaniach lotniczych materiały są narażone na ekstremalne obciążenia i wysokie temperatury” – powiedział Naraghi. „Jeśli którykolwiek z tych elementów uszkodzi jakąkolwiek część samolotu i zakłóci jedno z jego głównych zastosowań, można przeprowadzić samonaprawę na żądanie”.
Uszkodzone samoloty i pojazdy podkreślają pilną potrzebę zaawansowanych materiałów. Technologia ATSP umożliwia regenerację i odzyskiwanie kształtu na żądanie, przywracając komponentom ich pierwotną wytrzymałość, a nawet ją przekraczając, jednocześnie zwiększając bezpieczeństwo pasażerów.
W miarę dojrzewania i rozwoju ATSP ma potencjał przekształcenia branży handlowej i konsumenckiej, szczególnie sektora motoryzacyjnego.
„Dzięki wymianie wiązań, jaka ma miejsce w materiale, można naprawić odkształcenia samochodu po zderzeniu, a co najważniejsze, znacząco poprawić bezpieczeństwo pojazdu, chroniąc pasażerów” – powiedział Naraghi.
ATSP to również bardziej zrównoważona alternatywa dla tradycyjnych tworzyw sztucznych. Możliwość recyklingu sprawia, że materiał ten jest idealnym rozwiązaniem dla branż dążących do ograniczenia ilości odpadów zanieczyszczających środowisko bez utraty trwałości i wytrzymałości.
„Te witrimery, wzmocnione włóknami nieciągłymi, mogą być poddawane cyklom obróbki poziomej — można je łatwo zgnieść i uformować w nowy kształt, a proces ten może odbywać się w ciągu wielu, wielu cykli, a skład chemiczny materiału zasadniczo nie ulega degradacji” — powiedział.
Odkrywanie możliwości ATSP
„ATSP to nowa klasa witrimerów, które łączą w sobie najlepsze cechy tradycyjnych tworzyw sztucznych” – powiedział Naraghi. „Oferują elastyczność tworzyw termoplastycznych z chemiczną i strukturalną stabilnością tworzyw termoutwardzalnych. Dzięki temu, w połączeniu z wytrzymałymi włóknami węglowymi, otrzymujemy materiał, który jest kilkakrotnie mocniejszy niż stal, a jednocześnie lżejszy od aluminium”.
Cechą wyróżniającą ATSP od tradycyjnych tworzyw sztucznych jest zdolność do samoregeneracji i odzyskiwania kształtu.
„Odzyskiwanie kształtu i samonaprawianie to dwa aspekty tego samego mechanizmu” – wyjaśnił Naraghi. „W przypadku odzyskiwania kształtu chodzi o wymianę wiązań w obrębie ciągłego fragmentu materiału – rodzaj wbudowanej „inteligencji”. Natomiast w przypadku samonaprawiania w materiale występuje nieciągłość, na przykład pęknięcie. To właśnie te właściwości badaliśmy”.
Dr Mohammad Naraghi prezentuje ATSP, inteligentny plastik z włókna węglowego.
Aby zbadać jego właściwości, naukowcy zastosowali nowatorski test wytrzymałościowy zwany cyklicznym testem pełzania. „Poddawaliśmy nasze próbki powtarzalnym cyklom obciążeń rozciągających, monitorując zmiany w sposobie, w jaki materiał akumulował, magazynował i uwalniał energię odkształcenia” – powiedział Naraghi.
Stosując obciążenie cykliczne, badacze zidentyfikowali dwie krytyczne temperatury wewnątrz materiału.
„Pierwsza to temperatura, w której łańcuchy polimeru mogą się swobodnie poruszać, a druga to temperatura, w której wiązania te są aktywowane termicznie na tyle, że można zaobserwować masową wymianę wiązań, która powoduje gojenie, przekształcanie i regenerację” – powiedział.
Następnie zespół przeprowadził testy zmęczeniowe zginania w głębokich cyklach, okresowo podgrzewając materiał do około 160 stopni Celsjusza w celu zainicjowania procesu samonaprawiania.
Wyniki pokazały, że próbki ATSP nie tylko wytrzymywały setki cykli naprężeń i nagrzewania bez uszkodzeń, ale wręcz stawały się bardziej wytrzymałe w trakcie procesu gojenia.
„Podobnie jak skóra potrafi się rozciągać, goić i powracać do pierwotnego kształtu, tak i materiał odkształca się, goi i „zapamiętuje” swój pierwotny kształt, stając się trwalszy niż w momencie powstania” – powiedział Naraghi.
Pęknięcie, uzdrowienie, powtórzenie
Naraghi i jego zespół poddali odporny na ciepło ATSP pięciu wyczerpującym cyklom stresu, po każdym z których następowało wystawienie na działanie wysokiej temperatury wynoszącej 280 stopni Celsjusza.
Cel? Ocena wydajności i zdolności samonaprawiania się materiału.
Po dwóch pełnych cyklach regeneracji uszkodzeń materiał odzyskał niemal pełną wytrzymałość. W piątym cyklu skuteczność regeneracji spadła do około 80% z powodu zmęczenia mechanicznego.
Zdjęcia rentgenowskie ATSP w pięciu różnych cyklach gojenia uszkodzeń. W pierwszym cyklu skany wykazały, że ATSP całkowicie się zagoiło i odzyskało swój kształt i wytrzymałość. W piątym cyklu zaczęło pojawiać się zmęczenie mechaniczne, choć trwałość i stabilność chemiczna nie uległy pogorszeniu.
„Dzięki obrazowaniu o wysokiej rozdzielczości zaobserwowaliśmy, że kompozyt po uszkodzeniu i wygojeniu był podobny do oryginalnego projektu, choć powtarzające się uszkodzenia spowodowały pewne lokalne zużycie mechaniczne przypisywane wadom produkcyjnym” – powiedział Naraghi.
Mimo to stabilność chemiczna materiału i jego zdolność do samoregeneracji pozostały niezawodne we wszystkich pięciu cyklach.
„Zaobserwowaliśmy również, że nie nastąpiła żadna degradacja ani rozpad materiału pod wpływem ciepła, co dowodzi jego trwałości nawet po uszkodzeniu i wyleczeniu” – powiedział Naraghi.
Wspieranie innowacji poprzez strategiczne partnerstwa
Praca Naraghi'ego, sponsorowana przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (AFOSR) i realizowana we współpracy z ATSP Innovations, podkreśla zaangażowanie Texas A&M w rozwój innowacji technologicznych, które przekształcają się w rewolucyjne zdolności, przyczyniające się do realizacji priorytetów amerykańskiej obronności i przemysłu.
„Nasze partnerstwa są bardzo ważne” – powiedział Naraghi. „Oprócz wsparcia finansowego, kierownicy programów w AFOSR współpracują z nami i oferują cenne wskazówki w kwestiach, które mogły zostać pominięte. Nasza bliska współpraca z ATSP Innovations również okazała się bardzo owocna i niezwykle ważna”.
Przełomowe odkrycie zespołu badawczego oznacza coś więcej niż tylko nową klasę materiałów; to wzór pokazujący, w jaki sposób odważna nauka i strategiczne partnerstwa mogą zmienić przyszłość, w której tworzywa sztuczne nie tylko będą trwałe, ale także będą się rozwijać i dostosowywać.
