Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un metodo che dimostra come i materiali compositi polimerici rinforzati con fibre utilizzati nei settori automobilistico, aerospaziale e delle energie rinnovabili possono essere resi più forti e resistenti per resistere meglio alle sollecitazioni meccaniche o strutturali nel tempo. /P>

L'articolo che descrive dettagliatamente questa ricerca, intitolato "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation", è pubblicato su Advanced Science ed è riportato sulla copertina interna della rivista.

I compositi hanno già molti aspetti positivi. Sono resistenti e leggeri rispetto alle loro controparti metalliche. Sono inoltre resistenti alla corrosione e alla fatica e possono essere personalizzati per soddisfare specifici requisiti prestazionali industriali. Tuttavia, sono vulnerabili ai danni dovuti allo sforzo perché due materiali diversi – fibre rigide e una matrice morbida, o una sostanza legante – vengono combinati per realizzarli. L'interfase tra i due materiali deve essere migliorata a causa della sua influenza sulle proprietà meccaniche complessive dei compositi.

Sumit Gupta dell'ORNL ha affermato che il gruppo di ricerca ha depositato nanofibre termoplastiche come ragnatele per creare chimicamente una rete di supporto che rafforza l'interfase. La loro tecnica differisce dai metodi convenzionali di rivestimento delle superfici delle fibre con polimeri o di fornitura di un'impalcatura rigida per migliorare il legame tra la fibra e la matrice, che si sono rivelati inefficienti e costosi.

Gupta ha affermato che lui e il team hanno selezionato attentamente le nanofibre e il materiale della matrice per creare impalcature o ponti ad alta superficie come percorso di trasferimento del carico, un meccanismo attraverso il quale lo stress viene trasmesso tra le fibre di rinforzo e il materiale della matrice circostante.

"Il nostro processo consente al materiale di resistere a sollecitazioni maggiori. Utilizzando questo approccio semplice, scalabile ed economico, siamo in grado di aumentare la resistenza dei compositi di quasi il 60% e la sua tenacità del 100%", ha affermato.

I compositi prodotti con un tale progresso potrebbero migliorare innumerevoli cose applicate nella nostra vita quotidiana, dai veicoli agli aerei.

"Una volta che abbiamo conosciuto la scienza di base e la chimica dietro ciò che avevamo sviluppato, abbiamo acquisito la certezza di disporre di una preziosa tecnologia applicata", ha affermato Christopher Bowland dell'ORNL. "Aprire la strada alle nuove tecnologie e comprendere la scienza fondamentale è un aspetto del lavoro che svolgiamo. Tuttavia, un altro aspetto della ricerca applicata è esplorare come la tecnologia può essere tradotta in applicazioni del mondo reale a beneficio della società. Lavorando con il team di trasferimento tecnologico dell'ORNL, un è stato depositato un brevetto su questa ricerca per tradurre potenzialmente la tecnologia in partner commerciali."

Bowland ha affermato che la ricerca futura riguarda diversi sistemi di fibre e matrici che hanno gruppi chimici compatibili e che i ricercatori prevedono di eseguire ulteriori studi sulle nanofibre stesse per aumentarne la resistenza.

Questo studio fa parte del nuovo Composites Core Program 2.0 del Materials Technology Program presso l'Ufficio per le tecnologie dei veicoli all'interno dell'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili del DOE, o VTO-EERE. Il programma, guidato da ORNL insieme ai laboratori partecipanti Pacific Northwest National Laboratory e National Renewable Energy Laboratory, mira a migliorare l'efficienza dei veicoli attraverso lo sviluppo di materiali avanzati.

"Un percorso per raggiungere l'obiettivo del programma è quello di sostituire i componenti in acciaio più pesanti con compositi in fibra di carbonio, che attualmente offrono il miglior potenziale di riduzione del peso", ha affermato Amit Naskar, leader del gruppo Carbon and Composites di ORNL. "Lo sviluppo di interfasi più forti e resistenti nei compositi rinforzati con fibre ad alte prestazioni può ridurre la frazione volumetrica delle fibre con una migliore riduzione della massa e una conseguente redditività delle strutture composite."

Il gruppo di ricerca ha utilizzato le risorse della struttura utente di calcolo e scienza dei dati dell'ORNL per studi computazionali per comprendere le forze di legame fondamentali. Il team ha anche utilizzato la microscopia a forza atomica presso il Center for Nanophase Materials Sciences, o CNMS, per caratterizzare la rigidità dell’interfase progettata. Il CNMS è una struttura utente del DOE Office of Science presso l'ORNL.

Ulteriori informazioni: Sumit Gupta et al, Miglioramento della tenacità dei compositi attraverso la formazione gerarchica dell'interfase, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202305642

Informazioni sul giornale: Scienza avanzata

Fornito da Oak Ridge National Laboratory