Los aviones son gigantes del cielo; un avión comercial tiene más de 6 años, 000 veces más pesado que un gran ganso canadiense. A 500 mph, sin embargo, estos gigantes no son impermeables al impacto, incluso del ganso aparentemente inofensivo. Tal daño puede resultar en una variedad de problemas, de las fluctuaciones en la presión del aire y la altitud.

Los investigadores de la USC han desarrollado un nuevo material que podría reparar tales daños por impacto en el aire, tan pronto como ocurra. El equipo, dirigido por Qiming Wang, Stephen Schrank Presidente de carrera temprana y profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani, crearon estructuras de celosía 3-D (estructuras que cuentan con células repetidas) que se recuperarán de forma autónoma del daño por impacto, primero restaurando la forma original de la estructura y luego curando las fracturas fatales o roturas en el material.

"Tradicionalmente, estructuras de celosía, aunque ligero, tienen baja tolerancia al daño, es decir, si hay impacto, se esparcirá fácilmente, eventualmente comprometiendo la estructura. El material que creamos tiene una alta tolerancia al daño, "Dijo Wang.

El nuevo material se caracteriza por su alta resistencia y rigidez. A diferencia de los materiales autocurativos tradicionales, Wang dijo:en caso de fractura, no se requiere intervención manual. "No es necesario volver a juntar las piezas fracturadas para permitir la curación del material, "Dijo Wang." La característica de memorización de formas de nuestro nuevo material significa que las piezas fracturadas se alinearán de nuevo a la forma original de forma autónoma, antes de comenzar la curación de los lazos individuales ".

El equipo de investigadores incluye:USC Viterbi Ph.D. estudiantes Kunhao Yu, Haixu Du, An Xin, Kyung Hoon Lee, y Zhangzhengrong Feng; El profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani, Sami F. Masri; El profesor del Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas Daniel J Epstein, Yong Chen; y el profesor Guoliang Huang del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Missouri. Su trabajo fue publicado en Materiales de NPG Asia .

Autocuración, Forma memorizable y fotocurable

Las estructuras de celosía 3-D no son fáciles de fabricar. Wang dijo:"El método existente, el ensamblaje de laminado capa por capa, requiere mucho tiempo". Sin embargo, Wang dijo:para poder utilizar la impresión 3D, está restringido a materiales específicos. Estos materiales carecen de las propiedades necesarias para la autocuración autónoma.

Para crear un nuevo material que tuviera todas las características deseadas, los investigadores se basaron en una innovación anterior:un material autocurativo más parecido al caucho que presenta enlaces dinámicos (enlaces disulfuro) que desencadenan la autocuración. Cuando estos lazos se rompan, la aplicación de calor los vuelve a juntar para reformar los enlaces originales. Aunque autocurable, el material similar al caucho era demasiado blando para soportar mucho peso.

Con el fin de incorporar las propiedades necesarias para cumplir sus objetivos, los investigadores agregaron dominios cristalinos:polímeros con alta rigidez y capacidad de respuesta al calor. "El material es fuerte como el teflón. En nuestros estudios, encontramos que el material podría soportar 1, 000 veces su propio peso, "Dijo Wang.

Cuando los investigadores incorporaron los dominios cristalinos, también agregaron otra propiedad clave:memoria de forma, lo que significa que los polímeros memorizan la forma original de la estructura.

Para cumplir con todos sus objetivos, los investigadores también agregaron el grupo químico de acrilato (a menudo utilizado en adhesivos), que hizo que el material sea fotocurable, o reactivo cuando el material se expone a la luz. Esta propiedad era esencial para el uso de una técnica de impresión 3D llamada estereolitografía, por el cual la luz hace que el material líquido se solidifique capa por capa para formar estructuras de celosía sólidas.

Cuando ocurre un daño por impacto, un material generalmente exhibe dos formas de deformación:una abolladura o cambio de forma y fracturas estructurales (uniones rotas). Tradicionalmente, con materiales autocurables existentes, Wang dijo que las fracturas se pueden curar, pero no hasta que se produjo la realineación manual de las piezas fracturadas, básicamente empujando el objeto de nuevo a su forma original. Con el nuevo material, la recuperación de la forma y la reparación de la fractura se producen de forma autónoma, con la aplicación de calor.

El proceso comienza con el impacto. Una vez que se daña una estructura, Se aplica calor remoto, aplicado a 80 grados Celsius (aproximadamente 176 grados Fahrenheit) en el estudio, para comenzar el proceso de restauración de la forma. En este caso, los investigadores crearon un ala lateral y la aplastaron con un peso. Una vez dañado, se aplicó el calor. La forma original del ala se restauró en dos minutos. Bajo calor continuo, las piezas fracturadas comienzan a formar uniones y sanar. Después de seis horas, el material volvió a su resistencia y estructura originales.

En este estudio, los investigadores completaron diez ciclos de daño y curación con la misma estructura. Incluso después del décimo ciclo, la estructura mantuvo el mismo nivel de integridad mecánica que originalmente.

Aviones Trenes y Automóviles

Estas nuevas estructuras de celosía podrían usarse para reforzar cualquier número de vehículos, del avión al automóvil. "Cuando hay un accidente, reparar abolladuras y grietas en la carrocería de un automóvil siempre es muy problemático, ", Dijo Wang." Pero si la carrocería del automóvil estuviera hecha de nuestras nuevas estructuras de celosía, esta reparación podría ocurrir de forma autónoma, devolver el cuerpo a su forma y función originales, sin costo adicional ni tiempos de reparación excesivos ".

Prácticamente, Wang ve que este material funciona junto con los sensores. Si el sensor detecta daños por impacto, se activará un calentador, comenzando el proceso de curación. Otras aplicaciones incluyen vehículos de defensa, como tanques, o chalecos / armaduras antibalas. Wang dijo que este material podría ofrecer períodos de uso más prolongados y una mejor tolerancia al daño para las piezas clave.

Otra aplicación es el resultado directo de la memoria de forma y las características curativas en sí mismas. Wang dijo que si corta o modifica una estructura para transformarla en otra, por ejemplo, de un triángulo a una forma de kagome (basada en estrellas), puede ajustar el material para exhibir diferentes cualidades, por ejemplo, amortiguación versus transmisión de ciertas frecuencias de vibración. Una vez que se complete dicho uso, la aplicación de calor devolverá la estructura a su forma original.