Composites de pròxima generació.

Els composites lleugers i resistents de fibra de carboni, són materials estructurals per a automòbils, avions i altres vehicles de transport.

Es tracta d'una matriu de polímers, com l'epoxi, en què s'han incorporat fibres de carboni reforçades. A causa de les diferències en les propietats mecàniques d'aquests dos materials, les fibres es poden separar de la matriu sota esforços excessius o fatiga. Això significa que el dany en les estructures de compostos de fibra de carboni pot quedar amagat per sota de la superfície de manera  que, pot provocar una falla catastròfica i no es pot detectar mitjançant la inspecció visual.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/csz/news/800/2018/12-nextgenerati.jpg

Recentment, Bowland i Amit Naskar, capdavanters del grup Carbon and Composites d'ORNL, van inventar un procés  per recobrir fibres de carboni elèctricament conductores amb nanopartícules de carbó de silici semiconductor. Aquest compost incrustat en nanomaterials és més fort que altres composites reforçats amb fibra i tenen: la capacitat de controlar la seva pròpia salut estructural.

https://www.compositesworld.com/cdn/cms/0518-CW-blog-
ContinuousComposites-AutoDeskUniv-rudder-sensing.jpg

Quan la fibra recoberta està encastada en un polímer, les fibres creen una xarxa elèctrica i el material  es converteix elèctricament en conductor. Les nanopartícules semiconductores poden alterar aquesta conductivitat elèctrica en resposta a les forces aplicades, afegint una funcionalitat electro-mecànica al compòsit.

Si el compost està tensat, la connectivitat de les fibres recobertes es veu alterada i la resistència elèctrica del material canvia. Si les turbulència d'una tempesta fa que un ala d'avió es flexioni, un senyal elèctric pot advertir a l'ordinador de l'avió que l'ala ha patit estrès excessiu i generar una recomanació per fer una inspecció.

La demostració  de ORNL va demostrar, que el mètode es podria produïr per les fibres revestides d'alt volum per als compòsits d'última generació. Els compòsits auto-sensibles, fets amb una matriu de polímers renovables i fibres de carboni de baix cost, podrien trobar-se en productes omnipresents, fins i tot incloent vehicles i edificis impresos en 3-D.

https://uploads-ssl.webflow.com/5ba5a89ab828fc2c0a51dcbc/
5ba5a89ab828fc675c51dd4d_tech-airfoil-web.png

Per comprovar la força amb què les fibres incorporades en nanopartícules s'adherien a la matriu de polímers, els investigadors van fer bigues de compost reforçades amb fibres amb aquestes, alineades en una sola direcció. Bowland va realitzar proves d'estrès en què els dos extrems d'aquest voladís es van fixar mentre una màquina que avaluava el rendiment mecànic, empenyia el feix fins que es va trancar. Per investigar les capacitats de detecció del composite, es van col·locar elèctrodes a ambdós costats del voladís. En una màquina anomenada "analitzador mecànic dinàmic", va fixar un extrem per mantenir el voladís estacionari. La màquina aplicava la força a l'altre extrem per flexionar el feix mentre Bowland controlava el canvi de resistència elèctrica. Els companys postdoctorals de l'ORNL, Ngoc Nguyen, van dur a terme proves addicionals en un espectròmetre infraroig basat en la transformada de Fourier per estudiar enllaços químics dins dels composites i millorar així, la comprensió de la força mecànica millorada observada.

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/
csz/news/800/2018/11-nextgenerati.jpg

Els investigadors també van provar compòsits realitzats amb diferents quantitats de nanopartícules per a la capacitat de dissipar energia, tal com es mesura mitjançant un comportament d'amortiment de vibracions, una capacitat que beneficiaria els materials estructurals sotmesos a impactes, sacsejades i altres fonts d'estrès i tensió. A cada concentració, les nanopartícules augmenten la dissipació de l'energia (en un 65% al ​​257%).

Bowland i Naskar han demanat una patent per al procés per fabricar compostos de fibra de carboni autosuficients. El recobriment Dip, ofereix una nova ruta per utilitzar nous nanomaterials en desenvolupament.

Font: Laboratori Nacional Oak Ridge