Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado un método que demuestra cómo los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra utilizados en las industrias automotriz, aeroespacial y de energía renovable pueden hacerse más fuertes y resistentes para resistir mejor las tensiones mecánicas o estructurales con el tiempo. /P>
El artículo que detalla esta investigación, titulado "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation", se publica en Advanced Science. y aparece en la portada interior de la revista.
Los compuestos ya tienen muchas cosas buenas a su favor. Son fuertes y livianos en comparación con sus homólogos metálicos. También son resistentes a la corrosión y a la fatiga y pueden adaptarse para cumplir requisitos de rendimiento industrial específicos. Sin embargo, son vulnerables a sufrir daños por tensión porque para fabricarlos se combinan dos materiales diversos (fibras rígidas y una matriz blanda o una sustancia aglutinante). La interfaz entre los dos materiales debe mejorarse debido a su influencia en las propiedades mecánicas generales de los compuestos.
Sumit Gupta de ORNL dijo que el equipo de investigación depositó nanofibras termoplásticas como telarañas para crear químicamente una red de soporte que endurece la interfase. Su técnica difiere de los métodos convencionales de recubrir las superficies de las fibras con polímeros o proporcionar un andamiaje rígido para mejorar la unión entre la fibra y la matriz, que han demostrado ser ineficientes y costosos.
Gupta dijo que él y el equipo seleccionaron cuidadosamente las nanofibras y el material de la matriz para crear un andamio o puente de gran superficie como vía de transferencia de carga, un mecanismo a través del cual la tensión pasa entre las fibras de refuerzo y el material de la matriz circundante.
"Nuestro proceso permite que el material resista una mayor tensión. Al utilizar este enfoque simple, escalable y de bajo costo, podemos aumentar la resistencia de los compuestos en casi un 60% y su tenacidad en un 100%", afirmó. P>
Los compuestos fabricados con este avance podrían mejorar innumerables cosas que se aplican en nuestra vida diaria, desde vehículos hasta aviones.
"Una vez que conocimos la ciencia básica y la química detrás de lo que habíamos desarrollado, confiamos en que teníamos tecnología aplicada valiosa", dijo Christopher Bowland de ORNL. "Ser pioneros en nuevas tecnologías y comprender la ciencia fundamental es un aspecto del trabajo que hacemos. Aún así, otra faceta de la investigación aplicada es explorar cómo la tecnología se puede traducir a aplicaciones del mundo real para beneficiar a la sociedad. Trabajando con el equipo de Transferencia de Tecnología de ORNL, un Se ha presentado una patente sobre esta investigación para traducir potencialmente la tecnología a socios comerciales."
Bowland dijo que las investigaciones futuras se centran en diferentes sistemas de fibras y matrices que tienen grupos químicos compatibles, y los investigadores planean realizar más estudios sobre las propias nanofibras para aumentar su resistencia.
Este estudio es parte del recientemente establecido Programa Básico de Composites 2.0 del Programa de Tecnología de Materiales de la Oficina de Tecnologías de Vehículos dentro de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, o VTO-EERE. El programa, dirigido por ORNL junto con los laboratorios participantes, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, se esfuerza por mejorar la eficiencia de los vehículos mediante el desarrollo de materiales avanzados.
"Una forma de lograr el objetivo del programa es reemplazar los componentes de acero más pesados con compuestos de fibra de carbono, que actualmente ofrecen el mejor potencial de reducción de peso", dijo Amit Naskar, líder del grupo Carbono y Compuestos de ORNL. "El desarrollo de interfases más fuertes y resistentes en compuestos reforzados con fibra de alto rendimiento puede reducir la fracción de volumen de fibra con una mejor reducción de masa y la consiguiente rentabilidad de las estructuras compuestas".
El equipo de investigación utilizó recursos de las instalaciones para usuarios de Computación y Ciencia de Datos de ORNL para realizar estudios computacionales con el fin de comprender las fuerzas de enlace fundamentales. El equipo también empleó microscopía de fuerza atómica en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, o CNMS, para caracterizar la rigidez de la interfase diseñada. El CNMS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
Más información: Sumit Gupta et al, Mejora de la dureza compuesta mediante la formación de interfases jerárquicas, Ciencia avanzada (2023). DOI:10.1002/advs.202305642
Información de la revista: Ciencia avanzada
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
