I compositi rinforzati con fibre di nuova generazione possono essere auto-sensibili e inviare avvisi sulle minacce strutturali. Credito:Christopher Bowland e Sherry Razo/Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
I compositi in fibra di carbonio, leggeri e resistenti, sono ottimi materiali strutturali per automobili, aerei e altri mezzi di trasporto. Sono costituiti da una matrice polimerica, come resina epossidica, in cui sono state incorporate fibre di carbonio di rinforzo. A causa delle differenze nelle proprietà meccaniche di questi due materiali, le fibre possono staccarsi dalla matrice sotto sollecitazioni eccessive o fatica. Ciò significa che i danni nelle strutture composite in fibra di carbonio possono rimanere nascosti sotto la superficie, non rilevabile dall'ispezione visiva, potenzialmente portando a un fallimento catastrofico.
"I compositi in fibra di carbonio falliscono in modo catastrofico, quindi non vedrai danni fino a quando l'intera struttura non avrà ceduto, " ha detto Chris Bowland, un Wigner Fellow presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia. "Sapendo cosa sta succedendo all'interno del composito, puoi giudicare meglio la sua salute e sapere se c'è un danno che deve essere riparato."
Recentemente, Bowland e Amit Naskar, leader del Gruppo ORNL Carbon and Composites, ha inventato un processo roll-to-roll per rivestire fibre di carbonio elettricamente conduttive con nanoparticelle semiconduttrici di carburo di silicio. Questo composito incorporato in nanomateriali è più forte di altri compositi rinforzati con fibre e dotato di una nuova capacità:la capacità di monitorare la propria salute strutturale.
Quando una quantità sufficiente di fibra rivestita è incorporata in un polimero, le fibre creano una rete elettrica e la massa composita diventa elettricamente conduttiva. Le nanoparticelle semiconduttrici possono interrompere questa conduttività elettrica in risposta a forze applicate, aggiungendo una funzionalità elettromeccanica al composito.
Se il composito è teso, la connettività delle fibre rivestite viene interrotta e la resistenza elettrica nel materiale cambia. Se la turbolenza di una tempesta dovesse causare la flessione di un'ala di aeroplano in materiale composito, un segnale elettrico può avvertire il computer dell'aereo che l'ala ha subito uno stress eccessivo e suggerire un'ispezione.
La dimostrazione roll-to-roll di ORNL ha dimostrato in linea di principio che il metodo potrebbe essere ampliato per la produzione di grandi volumi di fibre rivestite per compositi di nuova generazione. Compositi autosensibili, magari realizzato con una matrice polimerica rinnovabile e fibre di carbonio a basso costo, potrebbero ritrovarsi in prodotti onnipresenti, inclusi anche veicoli ed edifici stampati in 3D.
Elettrodi Bowland apposti su entrambi i lati del cantilever. In un analizzatore meccanico dinamico, ne bloccò un'estremità per tenere ferma la trave. L'analizzatore ha applicato una forza all'altra estremità per flettere il cantilever 100 volte. Dopo ogni 10 flessioni, la tensione è aumentata, e la resistenza elettrica è stata misurata in funzione dello stress per quantificare la sensibilità del monitoraggio della salute strutturale. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Per fabbricare fibre con nanoparticelle, i ricercatori hanno caricato bobine di fibra di carbonio ad alte prestazioni su rulli che hanno immerso la fibra in resina epossidica caricata con nanoparticelle disponibili in commercio della larghezza di un virus (45-65 nanometri). La fibra è stata poi essiccata in forno per fissarne il rivestimento.
Per testare la forza con cui le fibre incorporate nelle nanoparticelle hanno aderito alla matrice polimerica, i ricercatori hanno realizzato travi composite rinforzate con fibre con le fibre allineate in una direzione. Bowland ha condotto prove di stress in cui entrambe le estremità di questo cantilever sono state fissate mentre una macchina che valutava le prestazioni meccaniche ha spinto al centro della trave fino a quando non si è guastata. Per studiare le capacità di rilevamento del composito, ha apposto elettrodi su entrambi i lati del cantilever. In una macchina chiamata "analizzatore meccanico dinamico, " ha bloccato un'estremità per tenere fermo il cantilever. La macchina ha applicato una forza all'altra estremità per flettere il raggio mentre Bowland monitorava il cambiamento nella resistenza elettrica. Il borsista postdottorato ORNL Ngoc Nguyen ha condotto ulteriori test in uno spettrometro a infrarossi a trasformata di Fourier per studiare la chimica legami all'interno dei compositi e migliorare la comprensione della maggiore resistenza meccanica che è stata osservata.
I ricercatori hanno anche testato compositi realizzati con diverse quantità di nanoparticelle per la capacità di dissipare energia, misurata dal comportamento di smorzamento delle vibrazioni, una capacità che andrebbe a beneficio dei materiali strutturali soggetti a impatti, scuote, e altre fonti di stress e tensione. Ad ogni concentrazione, le nanoparticelle hanno aumentato la dissipazione di energia (dal 65 al 257 percento).
Bowland e Naskar hanno richiesto un brevetto per il processo per realizzare compositi in fibra di carbonio autosensibili.
"Il rivestimento per immersione offre una nuova strada per utilizzare nuovi nanomateriali in fase di sviluppo, " ha detto Bowland.
Il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di ORNL ha sostenuto la ricerca, che è pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS , una rivista dell'American Chemical Society.
Il titolo del documento è "Elaborazione roll-to-roll di fibra di carbonio depositata da nanoparticelle di carburo di silicio per compositi multifunzionali".
