Zespół specjalistów z IMDEA Materials Institute opracował kompozyt oparty na tkaninie kevlarowej, na której bezpośrednio wytworzył laserowo indukowany grafen, czyli LIG. Tak zmodyfikowana warstwa została następnie wprowadzona do laminatu z włókien bazaltowych i bioepoksydowej żywicy metodą infuzji próżniowej. Efekt? Materiał zachowuje swoją podstawową funkcję konstrukcyjną, ale jednocześnie może działać jako czujnik odkształceń, osłona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i nawet element grzewczy zdolny do odladzania powierzchni. Rozumiecie to? Naukowcy zrobili właśnie z Kevlaru coś, co przypomina gadżet dla super szpiega z filmów.
W tym kompozycie z Kevlaru nie sam grafen, a jego lokalizacja jest kluczem
Grafen od lat jest materiałem obiecywanym wszystkim i wszędzie. Ma przewodzić prąd, wzmacniać kompozyty, poprawiać odprowadzanie ciepła, działać w sensorach i elektronice. Lubię go, bo to taki wdzięczny kolega, który obiecuje wiele, a kiedy dochodzi do czegoś poważnego, to ulatnia się w podskokach. Wszystko przez fakt, że jego wprowadzenie do tradycyjnych materiałów jest ogromnym wyzwaniem i podobne wyzwanie widać przy standaryzacji grafenu, bo bez pewności, jaki materiał faktycznie trafia do producenta, trudno projektować na nim odpowiedzialne konstrukcje.
Czytaj też: Ceny miedzi wreszcie spadną? Opracowali unikalny materiał na ich zastąpienie
W tym przypadku istotne jest to, że grafen nie jest po prostu dosypany do żywicy jak magiczny proszek, a to akurat ważna różnica. Zamiast tego naukowcy wytworzyli LIG bezpośrednio na powierzchni tkaniny kevlarowej przez konwersję fototermiczną, czyli kontrolowane potraktowanie materiału laserem. Dzięki temu powstaje przewodząca, porowata struktura węglowa dokładnie tam, gdzie rzeczywiście ma wykonywać pracę. Efekt? Nie trzeba tworzyć oddzielnego systemu czujników, przyklejać dodatkowych grzałek ani dokładać metalowych ekranów i dlatego właśnie dla mnie właśnie tu leży najważniejszy sens tego pomysłu.
W kompozytach każdy dodatkowy element jest problematyczny. Czujnik trzeba zamocować. Przewód trzeba poprowadzić. Osłonę elektromagnetyczną trzeba doliczyć do masy i procesu montażu. Grzałka odladzająca musi dostać zasilanie i następnie przeżyć warunki pracy pod obciążeniem. Jeśli więc część tych funkcji da się przenieść do samego materiału, to nagle kompozyt przestaje być bierną skorupą, a zaczyna być komponentem, który informuje o swoim stanie i reaguje na otoczenie.
Materiał czuje naprężenia, blokuje zakłócenia i potrafi się ogrzać, ale…
Co więc finalnie jest w stanie taki Kevlar wspomagany LIG? Całkiem sporo. Po pierwsze, odpowiada za ekranowanie zakłóceń elektromagnetycznych w zakresie 0,5-5 GHz, co w świecie samochodów elektrycznych, elektroniki mocy, radarów, łączności i rosnącej liczby urządzeń bezprzewodowych jest bardzo cennym dodatkiem. Dziś bowiem element konstrukcyjny nie powinien być kompletnie ślepy na elektromagnetyczne środowisko, w którym pracuje. W sektorze konstrukcyjnym ważniejsza jest jednak druga funkcja tego wynalazku, bo może on monitorować własne odkształcenia dzięki odpowiedzi piezorezystywnej. Oznacza to tyle, że zmiana naprężenia wpływa na opór elektryczny warstwy przewodzącej.
Czytaj też: Pijesz sobie z butelki, a ta żyje sobie w najlepsze i czeka na znak. Czy to właśnie plastik przyszłości?
Mnie fascynuje jednak coś innego. To, że tego typu kompozyt z Kevlaru może nawet pomóc w odladzaniu, co potwierdziły testy, wedle których materiał mógł osiągać temperatury powyżej 50 stopni Celsjusza przy niskim napięciu, a tym samym umożliwiał usuwanie lodu w temperaturze -40 stopni Celsjusza w ciągu pięciu minut. Nie jest to byle dodatek, jeśli weźmiemy pod uwagę zastosowanie takiego materiału w turbinach wiatrowych, pojazdach, lotnictwie albo obudowach akumulatorów w samochodach elektrycznych. Nie jest to jednak żadna magiczna sztuczna, a ot wykorzystanie w praktyce prawa Joule’a.
Niestety jednak nie jest to materiał pozbawiony wad. Autorzy sami wskazują, że pierwszy problem dotyczy procesu infuzji żywicy, który jest nieprzewidywalny w swoich owocach. Jest to o tyle problematyczne, że jeśli materiał ma mieć przewidywalną przewodność, ogrzewanie i odpowiedź czujnikową, to każda lokalna różnica w strukturze może mieć znaczenie. Drugi problem jest jeszcze bardziej przyziemny i obejmuje kontakty elektryczne, bo zewnętrznie aplikowane elektrody muszą przetrwać wysokocykliczne zmęczenie mechaniczne. Do tego dochodzą cykle cieplne związane z ogrzewaniem, bo wielokrotne nagrzewanie może prowadzić do lokalnej degradacji matrycy epoksydowej. Nie musi, ale może, ale w konstrukcjach pracujących przez tysiące godzin to już ogromny problem.
Czytaj też: Chińczycy wzięli materiał z Księżyca i rzucili go na pustynię. Efekty mają powalić świat
Podsumowując więc, tego typu wielofunkcyjny kompozyt na bazie Kevlaru robi wrażenie, ale nie nazwałbym go jeszcze przełomem gotowym do zrewolucjonizowania przemysłu. Nazwałbym to raczej bardzo ciekawym szkicem materiału przyszłości, który ma jedną ogromną zaletę – nie próbuje być tylko mocniejszy. Próbuje być bardziej świadomy własnego stanu i pracy.
Źródła: TechXplore, Science Direct
