Materiaalitiede muuttaa mahdollisuuksia kaikilla teollisuudenaloilla. Tämä on havaittavissa esimerkiksi rakennusalalla, jossa sementitöntä mineraalivaahtoa käytetään pylväiden ja seinien 3D-tulostamiseen, sekä ilmailu- ja autoteollisuudessa.
Sisällysluettelo
Viimeksi mainitut voivat olla suurimpia hyötyjiä Texas A&M -yliopiston tutkijoiden viimeaikaisesta panoksesta. Nanomateriaalien laboratorion johtajan Mohammad Naragin johdolla insinööritiimi on kehittänyt uuden älykkään materiaalin – muovityypin, joka kykenee muovautumaan ja palautumaan .
Avain menestykseen on nanoinsinööritaidossa – kyvyssä suunnitella materiaalin ominaisuudet sen molekyylirakenteen perusteella, mikä tässä tapauksessa johti parannetun hiilikuituisen komposiitin, aromaatisen termoreaktiivisen kopolyesterin (ATSP), kehittämiseen.
Tutkimuksessa, joka on julkaistu tiedelehdissä Macromolecules ja Journal of Composite Materials , Naraagi ja hänen tiiminsä kuvaavat materiaalin valmistusprosessia, suorittamiaan testejä ja sen mekaanisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä lupaavan ratkaisun lukuisille sovellusalueille – autojen valmistuksesta lentokoneisiin ja avaruusraketteihin.
”ATSP on uusi lasikuituluokka, joka yhdistää perinteisten muovien parhaat ominaisuudet”, Naraigi totesi lehdistötiedotteessa . ”Yhdistettynä kestävään hiilikuituun saadaan materiaali, joka on useita kertoja terästä lujempi, mutta samalla alumiinia kevyempi ”.
Kuinka se tehdään
Tutkijoiden artikkelissa kuvaama tämän materiaalin valmistusprosessi perustuu menetelmään, joka on kehitetty parannettujen muovien valmistamiseksi, jotka pystyvät ”muistamaan” muotonsa ja palautumaan itsestään vaurioitumisen jälkeen.
Kaikki alkaa kahden pääkemikaalin valinnasta laboratorio-olosuhteissa: p-hydroksibentsoehappo ja dihydroksibifenyyli. Nämä erittäin puhtaat yhdisteet yhdistetään kolmannen aineen, etikkahapon anhydridin, avulla, joka edistää niiden sitoutumista . Reaktiota nopeuttamaan lisätään pieni määrä väkevää rikkihappoa.
Näiden ainesosien seos kuumennetaan hallitusti. Tämän prosessin seurauksena komponentit reagoivat ja muodostavat suuremman ja monimutkaisemman molekyylirakenteen, mikä johtaa polymeerimateriaalin muodostumiseen.
Kun jauhemaista materiaalia on saatu, se puristetaan ja muotoillaan paineen ja lämmön vaikutuksesta. Tämä vaihe mahdollistaa materiaalin suuremman sisäisen koheesion ja muokkaa muovin sisäisiä kemiallisia sidoksia, mikä antaa sille ainutlaatuisia ominaisuuksia.
Tämän lämpökonsolidointi- ja puristusprosessin tuloksena saadaan kestäviä ja vakaita tuotteita, jotka tekijöiden mukaan voivat olla huomattavasti pitkäikäisempiä kuin muut materiaalit.
”Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa materiaalit altistuvat äärimmäisille kuormituksille ja korkeille lämpötiloille”, Naraagi sanoo. ”Jos jokin näistä tekijöistä vahingoittaa lentokoneen osaa ja häiritsee sen yhtä pääasiallisista käyttötarkoituksista, vaatimuksesta voi tapahtua itsestään korjautuminen.”
Tämä kyky palauttaa nopeasti rakenteellinen eheytensä tekee ATSP:stä erittäin houkuttelevan materiaalin paitsi rakettien ja lentokoneiden rungon rakentamiseen, myös autojen ja muiden maaliikennevälineiden korien ja muiden osien rakentamiseen.
”Materiaalissa tapahtuvan sidosten vaihdon ansiosta se voi palauttaa auton muodonmuutokset törmäyksen jälkeen ja, mikä vielä tärkeämpää, parantaa merkittävästi ajoneuvon turvallisuutta suojaamalla matkustajia”, Naraagi sanoo.
Kestävämpi
Voisi ajatella, että nämä materiaalin erityisominaisuudet vaikeuttavat myös sen kierrätystä käyttöiän päätyttyä. Päinvastoin: se on paljon ympäristöystävällisempi, koska sen itsestään palautuva kyky mahdollistaa sen uudelleenkäytön ilman, että sen kestävyys ja lujuus kärsivät .
”Nämä katkonaisilla kuiduilla vahvistetut vitriimit voivat altistua syklisille vaikutuksille: ne voidaan helposti murskata ja muovata uuteen muotoon , ja tämä voidaan toistaa lukemattomia kertoja ilman, että materiaalin kemiallinen koostumus heikkenee”, jatkaa nanomateriaalien laboratorion johtaja.
Tarkistaakseen, kuinka ATSP voi muuttaa muotoaan ja palautua, tutkijat kehittivät erityisiä kestävyystestejä materiaalin testaamiseksi sen rajojen äärirajoilla .
”Sovelsimme näytteisiimme toistuvia venytyskuormitusjaksoja ja seurasimme muutoksia siinä, miten materiaali keräsi, varastoi ja vapautti muodonmuutoksenergiaa”, Naraagi kertoo.
Soveltamalla syklistä kuormitusta tutkijat havaitsivat kaksi avainlämpötilaa. Ensimmäinen on ”lasittumislämpötila”, jossa polymeeriketjut voivat liikkua vapaasti.
Toinen lämpötila, lasittumislämpötila, on ”lämpötila, jossa nämä sidokset muuttuvat riittävän lämpöaktiivisiksi, jotta voidaan havaita massiivinen sidosten vaihto, joka aiheuttaa paranemista, uudistumista ja palautumista ”.
Se korjaa itsensä
Itsensä korjaavan kyvyn testaamiseksi materiaali altistettiin väsytystesteille, joissa se lämmitettiin säännöllisesti 160 °C:seen. Tulokset osoittivat, että näytteet eivät vain kestäneet satoja syklejä ilman rikkoutumista, vaan myös lisäsivät lujuuttaan prosessin aikana .
”Aivan kuten iho voi venyä, palautua ja palata alkuperäiseen muotoonsa, materiaali deformoitui, palautui ja ‘muisti’ alkuperäisen muotonsa, jolloin se tuli lujuammaksi kuin valmistushetkellä”, Naraagi toteaa.
Hänen tiiminsä, johon kuului myös Andreas Polikarpu Tulsan yliopistosta, testasi materiaalin mekaanisen eheyden, muodon palautumisen ja itsestään palautumisen altistamalla sen viidelle jännityssyklille, joita seurasi 280 °C:n lämpötila.
Kahden ensimmäisen vaurio- ja palautumissyklin jälkeen materiaali palautui lähes täysin alkuperäiseen lujuuteensa. Viidenteen sykliin mennessä palautumisen tehokkuus kuitenkin laski noin 80 % väsymyksen vuoksi.
”Käyttämällä korkean resoluution visualisointia havaitsimme, että komposiitti oli vaurion ja paranemisen jälkeen samanlainen kuin alkuperäinen rakenne, vaikka toistuvat vauriot aiheuttivat paikallista mekaanista kulumista, joka liittyi valmistusvirheisiin”, Naraigi sanoi.
Tästä huolimatta kemiallinen stabiilisuus ja itsestään palautuva kyky pysyivät muuttumattomina kaikkien viiden syklin ajan. ”Emme myöskään havainneet materiaalin lämpöhajoamista tai hajoamista, mikä osoittaa sen kestävyyden jopa vaurioitumisen ja korjaamisen jälkeen”, hän toteaa.
