下一代復(fù)合材料可以監(jiān)控自身的結(jié)構(gòu)健康狀況
碳纖維復(fù)合材料 - 輕質(zhì)和堅(jiān)固 - 是汽車,飛機(jī)和其他運(yùn)輸車輛的重要結(jié)構(gòu)材料。它們由聚合物基質(zhì)如環(huán)氧樹脂組成,其中嵌入了增強(qiáng)碳纖維。由于這兩種材料的機(jī)械性能不同,纖維會在過度的應(yīng)力或疲勞下從基體上脫落。這意味著碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損壞可能仍然隱藏在表面之下,通過目視檢查無法檢測到,可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。
能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Wigner研究員克里斯鮑蘭德說:“碳纖維復(fù)合材料不會發(fā)生災(zāi)難性的損失,因此在整個(gè)結(jié)構(gòu)失效之前你不會看到損壞。” “通過了解復(fù)合材料中發(fā)生的情況,您可以更好地判斷其健康狀況,并了解是否存在需要修復(fù)的損壞。”
最近,ORNL碳和復(fù)合材料集團(tuán)的領(lǐng)導(dǎo)者Bowland和Amit Naskar發(fā)明了一種卷對卷工藝,用半導(dǎo)體碳化硅納米粒子涂覆導(dǎo)電碳 纖維。這種納米材料嵌入復(fù)合材料比其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更強(qiáng)大,并具有新的能力 - 監(jiān)測自身結(jié)構(gòu)健康的能力。
當(dāng)足夠的涂覆纖維嵌入聚合物中時(shí),纖維形成電網(wǎng)絡(luò),并且本體復(fù)合材料變得導(dǎo)電。半導(dǎo)體納米顆??身憫?yīng)于所施加的力而破壞該電導(dǎo)率,從而為復(fù)合材料添加機(jī)電功能。
如果復(fù)合材料變形,則涂層纖維的連接性被破壞并且材料中的電阻改變。如果風(fēng)暴湍流導(dǎo)致復(fù)合材料飛機(jī)機(jī)翼彎曲,電信號可能會警告飛機(jī)的計(jì)算機(jī)機(jī)翼已承受過大的壓力并提示進(jìn)行檢查。
ORNL的卷對卷演示原則上證明,該方法可用于大規(guī)模生產(chǎn)下一代復(fù)合材料的涂層纖維。自感應(yīng)復(fù)合材料,可能由可再生聚合物基質(zhì)和低成本碳纖維制成,可以發(fā)現(xiàn)自己無處不在的產(chǎn)品,甚至包括3D打印的車輛和建筑物。
為了制造納米粒子嵌入的纖維,研究人員將高性能碳纖維線軸裝到輥?zhàn)由希瑢⒗w維浸入環(huán)氧樹脂中,該環(huán)氧樹脂裝載有大約病毒寬度(45-65納米)的市售納米粒子。然后將纖維在烘箱中干燥以固化其涂層。
為了測試納米顆粒嵌入纖維粘附在聚合物基質(zhì)上的強(qiáng)度,研究人員制造了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁,纖維在一個(gè)方向上排列。Bowland進(jìn)行了壓力測試其中懸臂的兩端都是固定的,而評估機(jī)械性能的機(jī)器推到梁的中間直到它失效。為了研究復(fù)合材料的傳感能力,他將電極固定在懸臂的兩側(cè)。在稱為“動態(tài)機(jī)械分析儀”的機(jī)器中,他夾住一端以保持懸臂靜止。機(jī)器在另一端施加力以彎曲梁,而Bowland監(jiān)測電阻的變化。ORNL博士后研究員Ngoc Nguyen在傅立葉變換紅外光譜儀中進(jìn)行了額外的測試,以研究復(fù)合材料中的化學(xué)鍵,并提高對觀察到的增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的理解。
研究人員還測試了用不同量的納米顆粒制成的復(fù)合材料能夠消散能量 - 通過振動阻尼行為測量 - 這種能力有利于受到?jīng)_擊,震動和其他應(yīng)力和應(yīng)變源的結(jié)構(gòu)材料。在每個(gè)濃度下,納米顆粒增強(qiáng)了能量消耗(65%至257%)。
Bowland和Naskar已申請制造自感碳纖維復(fù)合材料的專利。
“浸涂為開發(fā)利用新型納米材料提供了一條新途徑,”Bowland說。
ORNL的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開發(fā)計(jì)劃支持該研究,該研究發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會期刊ACS Applied Materials&Interfaces上。
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