Prąd elektryczny uruchamia proces leczenia
Klucz do sukcesu tkwi w inteligentnej kombinacji znanych już komponentów. Chodzi o termoplastyczną międzywarstwę stworzoną metodą druku 3D, która sama w sobie znacząco podnosi odporność na rozwarstwianie. Druga część układanki to cienkie warstwy przewodzące na bazie węgla. Gdy przez taki materiał przepływa prąd, nagrzewa się on, topiąc termoplastyczne rdzenie. Ta stopiona substancja wypełnia wszelkie szczeliny – od widocznych gołym okiem po mikroskopijne pęknięcia. Proces jest samosterujący, ponieważ więcej materiału naprawczego trafia tam, gdzie ubytek jest większy. Po schłodzeniu i zestaleniu warstwy kompozytu są znów trwale połączone, a jego strukturalna wytrzymałość wraca do normy.
Czytaj też: Atomowe skręty dają efekty, jakich fizycy nie przewidzieli. Teraz poznają prawdę o materiałach magnetycznych
Wierzymy, że opracowana przez nas technologia samonaprawiania może być długoterminowym rozwiązaniem problemu delaminacji, pozwalając komponentom przetrwać wieki – tłumaczy Jason Patrick z NC State University
Materiał przetrwał tysiąc uszkodzeń i napraw.
Najbardziej wymowne są dane z testów. Naukowcy z North Carolina State University poddali materiał ponad 1000 cykli kontrolowanego niszczenia i naprawy. W każdym cyklu tworzono 5-centymetrowe rozwarstwienia, a następnie uruchamiano proces samoleczenia. Wyniki są imponujące: początkowa odporność na pękanie nowego kompozytu była o 175% wyższa niż w konwencjonalnych materiałach. Z czasem, po wielokrotnych naprawach, ta przewaga maleje, lecz proces jest bardzo powolny. Po tysiącu cykli wytrzymałość ustabilizowała się na poziomie około 40-60% wyjściowej wartości konwencjonalnego FRP. Oznacza to, iż przez pierwsze kilkaset uszkodzeń nowy materiał jest po prostu mocniejszy od tych, z których buduje się dziś skrzydła odrzutowców.
Na podstawie tych danych oszacowano potencjalną żywotność. Przy założeniu, że proces naprawczy byłby uruchamiany raz na kwartał, komponent mógłby działać 125 lat. Jeśli zaś naprawiałby się tylko raz do roku, jego życie wydłuża się do pół tysiąclecia. To kontrast w porównaniu z projektowaną trwałością obecnych kompozytów, która rzadko przekracza 40 lat.
Perspektywy sięgają od energetyki po eksplorację kosmosu
Oczywistymi beneficjentami takiej technologii są branże, w których wymiana części jest niezwykle kosztowna i skomplikowana. Dotyczy to zarówno lotnictwa, gdzie samolot to inwestycja przekraczająca często miliard złotych, jak i energetyki wiatrowej, gdzie sama logistyka wymiany gigantycznej łopaty to ogromne wyzwanie. Prawdziwie przełomowe zastosowania rysują się jednak w kosmonautyce. Sondy czy statki kosmiczne operują w środowiskach, gdzie jakakolwiek fizyczna interwencja serwisanta jest niemożliwa. Materiał, który przez stulecia mógłby samodzielnie korygować mikrouszkodzenia spowodowane uderzeniami mikrometeorytów czy ekstremalnymi wahaniami temperatury, to zupełnie nowa jakość w projektowaniu misji.
Czytaj też: Dziwaczny stan materii w grafenie. Kwantowa magia doprowadziła do przejścia nadciekłości w nadstałość
Korzyści wykraczają poza czystą ekonomię. Wydłużenie cyklu życia konstrukcji oznacza mniej odpadów, mniejszy ślad węglowy związany z produkcją nowych elementów oraz redukcję emisji generowanych przez ciężki sprzęt potrzebny do ich wymiany. To ważny argument w kontekście zrównoważonego rozwoju. Cała technologia została opisana na łamach Proceedings of the National Academy of Sciences. Co ciekawe, jest ona już chroniona patentem i licencjonowana przez firmę założoną przez głównego autora, Jasona Patricka.
