Los compuestos reforzados con fibra de próxima generación pueden ser autodetectables y emitir advertencias sobre amenazas estructurales. Crédito:Christopher Bowland y Sherry Razo / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Los compuestos de fibra de carbono, livianos y fuertes, son excelentes materiales estructurales para automóviles, aviones y otros vehículos de transporte. Consisten en una matriz de polímero, como epoxi, en el que se han incrustado fibras de carbono de refuerzo. Debido a las diferencias en las propiedades mecánicas de estos dos materiales, las fibras pueden desprenderse de la matriz bajo tensiones excesivas o fatiga. Eso significa que el daño en las estructuras compuestas de fibra de carbono puede permanecer oculto debajo de la superficie, indetectable por inspección visual, potencialmente conduciendo a fallas catastróficas.
"Los compuestos de fibra de carbono fallan catastróficamente, por lo que no verá daños hasta que toda la estructura haya fallado, "dijo Chris Bowland, un miembro de Wigner en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía. "Al saber lo que sucede dentro del compuesto, puede juzgar mejor su salud y saber si hay daños que deben repararse ".
Recientemente, Bowland y Amit Naskar, líder del Grupo de compuestos y carbono de ORNL, inventó un proceso de rollo a rollo para recubrir fibras de carbono eléctricamente conductoras con nanopartículas de carburo de silicio semiconductoras. Este compuesto integrado con nanomateriales es más fuerte que otros compuestos reforzados con fibra y está imbuido de una nueva capacidad:la capacidad de controlar su propia salud estructural.
Cuando se incrusta suficiente fibra recubierta en un polímero, las fibras crean una red eléctrica y el material compuesto a granel se vuelve eléctricamente conductor. Las nanopartículas semiconductoras pueden alterar esta conductividad eléctrica en respuesta a las fuerzas aplicadas, añadiendo una funcionalidad electromecánica al composite.
Si el composite está tenso, la conectividad de las fibras revestidas se interrumpe y la resistencia eléctrica en el material cambia. En caso de que la turbulencia de una tormenta provoque la flexión de un ala de avión compuesta, una señal eléctrica puede advertir a la computadora del avión que el ala ha soportado un estrés excesivo y generar una recomendación para una inspección.
La demostración de rollo a rollo de ORNL demostró en principio que el método podría ampliarse para la producción de alto volumen de fibras recubiertas para compuestos de próxima generación. Compuestos autodetectables, quizás hecho con una matriz de polímero renovable y fibras de carbono de bajo costo, podrían encontrarse en productos ubicuos, incluso incluyendo vehículos y edificios impresos en 3D.
Bowland colocó electrodos en ambos lados del voladizo. En un analizador mecánico dinámico, apretó un extremo para mantener la viga estacionaria. El analizador aplicó fuerza en el otro extremo para flexionar el voladizo 100 veces. Después de cada 10 flexiones, se incrementó la tensión, y la resistencia eléctrica se midió en función de la tensión para cuantificar la sensibilidad del control de la salud estructural. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Para fabricar fibras incrustadas en nanopartículas, los investigadores cargaron bobinas de fibra de carbono de alto rendimiento en rodillos que sumergieron la fibra en epoxi cargado con nanopartículas disponibles comercialmente del ancho de un virus (45-65 nanómetros). A continuación, la fibra se secó en un horno para endurecer su revestimiento.
Para probar la fuerza con la que las fibras incrustadas en nanopartículas se adhirieron a la matriz de polímero, los investigadores hicieron vigas compuestas reforzadas con fibras con las fibras alineadas en una dirección. Bowland realizó pruebas de esfuerzo en las que se fijaron ambos extremos de este voladizo mientras una máquina que evaluaba el rendimiento mecánico empujaba el centro de la viga hasta que fallaba. Para investigar las capacidades de detección del compuesto, colocó electrodos en ambos lados del voladizo. En una máquina llamada "analizador mecánico dinámico, "apretó un extremo para mantener el voladizo estacionario. La máquina aplicó fuerza en el otro extremo para flexionar la viga mientras Bowland monitoreaba el cambio en la resistencia eléctrica. El becario postdoctoral de ORNL, Ngoc Nguyen, realizó pruebas adicionales en un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier para estudiar la química se une dentro de los compuestos y mejora la comprensión de la resistencia mecánica mejorada que se observó.
Los investigadores también probaron compuestos hechos con diferentes cantidades de nanopartículas para determinar la capacidad de disipar energía, medida por el comportamiento de amortiguación de vibraciones, una capacidad que beneficiaría a los materiales estructurales sujetos a impactos. batidos, y otras fuentes de estrés y tensión. En cada concentración, las nanopartículas mejoraron la disipación de energía (entre un 65 y un 257 por ciento).
Bowland y Naskar han solicitado una patente para el proceso de fabricación de compuestos de fibra de carbono con detección automática.
"El recubrimiento por inmersión ofrece una nueva ruta para utilizar nuevos nanomateriales en desarrollo, "Dijo Bowland.
El Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de ORNL apoyó la investigación, que se publica en Interfaces y materiales aplicados ACS , una revista de la American Chemical Society.
El título del artículo es "Procesamiento rollo a rollo de fibra de carbono depositada por nanopartículas de carburo de silicio para compuestos multifuncionales".
