Przełomowe odkrycie naukowców. Ten materiał ma właściwości samonaprawiające

Inżynierowie z North Carolina State University i University of Houston opracowali włóknisty kompozyt, który potrafi samoczynnie naprawiać jeden z najczęstszych typów uszkodzeń wewnętrznych – tzw. delaminację – nawet ponad 1000 razy. Zastosowanie tego materiału w produkcji mogłoby wydłużyć żywotność kompozytów z dekad do nawet stuleci.

Nowe odkrycie zostało opisane w badaniu opublikowanym w dzienniku „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Kompozyty zbrojone włóknem (FRP), które łączą wysoką wytrzymałość z niewielką masą, są często wykorzystywane do produkcji samolotów, samochodów, turbin wiatrowych, a nawet statków kosmicznych. Jednakże jednym z ich mankamentów jest delaminacja międzywarstwowa — proces, w którym kompozyt zaczyna rozwarstwiać się po pojawieniu się pęknięć. Gdy proces ten się rozpoczyna, integralność konstrukcyjna gwałtownie spada, a produkty zaczynają wymagać serii przeglądów, napraw i wymiany części.

— Delaminacja jest wyzwaniem dla kompozytów FRP od lat 30. XX wieku — powiedział Jason Patrick, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na North Carolina State University oraz współautor badania, w rozmowie z ECONews. Dodał też, że tradycyjne kompozyty FRP zazwyczaj wytrzymują od 15 do 40 lat.

Wyniki najnowszych badań pokazują, że umożliwiona przez nowy materiał strategia „samonaprawy” dla pęknięć międzywarstwowych, „jest powtarzalna w skali znacznie przewyższającej standardowe okresy eksploatacji kompozytów, eliminując tym samym problem delaminacji jako zagrożenia strukturalnego”.

Nowy materiał wygląda jak standardowy kompozyt FRP, jednak ma dwie kluczowe, nowatorskie cechy. Pierwszą z nich jest wydrukowany w technologii 3D, termoplastyczny środek naprawczy, który tworzy wzorzystą warstwę pośrednią między laminatami kompozytu. Ta warstwa, znana jako EMAA, jest wykonana z metakrylanu etylu i sprawia, że laminat jest od dwóch do czterech razy bardziej odporny na delaminację, skutecznie zapobiegając powstawaniu pęknięć.

Drugą innowacją w stosunku do standardowego kompozytu FRP jest zestaw cienkich, węglowych warstw grzewczych, zatopionych w materiale. Gdy przepuścimy przez nie prąd elektryczny, warstwy te nagrzewają się i topią warstwę EMAA, która następnie wypełnia pęknięcia i mikrouszkodzenia, ponownie scalając uszkodzone miejsce. Kompozyt został więc zaprojektowany tak, by sam się „zaspawał” materiałem obecnym już w swojej strukturze.

Jak podkreślił jeden z głównych autorów badania, Jacek Turicek, kompozyt ten od początku jest „znacznie bardziej wytrzymały” niż typowe rozwiązania i przez co najmniej 500 cykli lepiej radzi sobie z pękaniem niż dotychczasowe laminowane kompozyty. Naukowcy wykazali, że wytrzymałość stopniowo maleje przy kolejnych cyklach naprawy, jednak dzieje się to „bardzo powoli”. Według ich szacunków, elementy wytworzone z nowego kompozytu mogą pozostawać sprawne przez około 125 lat przy naprawach kwartalnych lub nawet 500 lat przy naprawach rocznych.

Współczesne technologie niskoemisyjne, skupiające się na czystej energii, w dużej mierze opierają się na lekkich kompozytach, które są nie tylko trudne do naprawy, ale stanowią także problem przy recyklingu — dlatego zamiast naprawiać, często się je wymienia. Jeśli nowoopracowany kompozyt pozwoli na wielokrotne naprawy kluczowych części konstrukcyjnych samolotów, samochodów czy turbin wiatrowych, odkrycie naukowców może okazać się przełomowe w ograniczaniu odpadów przemysłowych. To z kolei pociągnie za sobą zmniejszenie produkcji nowych elementów i ograniczy ich złomowanie.

Tekst opublikowany w amerykańskim „Newsweeku”. Tytuł, lead i śródtytuły od redakcji „Newsweek Polska”.