از فرسودگی تا جاودانگی قطعات؛ کامپوزیت‌های خودترمیم شونده وارد بازار می‌شوند

پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) خودترمیم ساخته‌اند که باعث می‌شوند ماشین‌ها و سازه‌ها برای قرن‌ها بدون نیاز به تعمیر دوام بیاورند.

به گزارش سرویس فناوری تک‌ناک، با این فناوری، تصور ماشین‌هایی که بتوانند فارغ از میزان استفاده یا محل بهره‌برداری برای مدت زمان طولانی دوام بیاورند، دیگر یک رویا نیست.

مقاله آنها با عنوان “Self-healing for the Long Haul: In situ Automation Delivers Century-scale Fracture Recovery in Structural Composites” در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است و عملکرد ماده خودترمیم را توضیح می‌دهد.

حتما بخوانید: اسکوتر Redux با بدنه فیبر طبیعی، آینده وسایل نقلیه برقی را شکل می‌ دهد

فناوری کامپوزیت‌های خودترمیم

در کامپوزیت‌های خودترمیم، زمانی که ترک‌هایی بین لایه‌های الیاف و ماتریس پلیمری شکل می‌گیرد، ماده FRP با نفوذ یک پلیمر ذوب‌شده الکتریکی، لایه‌های جداشده را دوباره به هم پیوند می‌دهد و ترک‌ها را ترمیم می‌کند. این نوآوری، تحولی برای صنایع خودرو، هوافضا، انرژی باد و هر سازه مبتنی بر کامپوزیت‌های FRP ایجاد می‌کند، که موادی سبک، بسیار مقاوم و معمولا متشکل از شیشه، کربن یا الیاف دیگر در ماتریس پلیمری هستند. کامپوزیت‌های خودترمیم UNC نه تنها مقاوم‌تر از نمونه‌های معمولی هستند، بلکه طول عمر آنها می‌تواند قرن‌ها ادامه یابد و به‌ طور عملی فراتر از عمر سازندگان و کاربران اولیه دوام بیاورد.

بیشتر بخوانید: تولید سرامیک‌های هوشمند که تحت فشار خم می‌شوند

این دوام بلندمدت نه تنها مزایای اقتصادی قابل‌ توجهی از کاهش نیاز به تولید و پردازش مواد ایجاد می‌کند، بلکه به کاهش اثرات زیست‌محیطی مرتبط با استخراج و تولید مواد نیز کمک می‌کند و راهی پایدار به سوی ماشین‌ها و سازه‌های ماندگار فراهم می‌آورد. جیسون پاتریک، نویسنده مسئول و استادیار مهندسی عمران، ساخت و ساز و محیط زیست در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی تاکید کرد: «این نوآوری به‌ طور قابل‌ توجهی هزینه‌ها و نیروی انسانی مورد نیاز را برای جایگزینی قطعات کامپوزیت آسیب‌دیده کاهش می‌دهد و مصرف انرژی و تولید پسماند را در صنایع مختلف کم می‌کند، زیرا تعداد قطعات شکسته‌ای که نیاز به بازرسی، تعمیر یا دورریز دستی دارند، بسیار کمتر خواهد شد.» پاتریک و شرکت او یعنی Structeryx Inc هم‌اکنون این فناوری را ثبت اختراع و با مجوز به بازار عرضه کرده‌اند.

دوام کامپوزیت Structeryx

یکی از دلایل برتری کامپوزیت‌های FRP Structeryx، لایه ترموپلاستیک خودترمیم است که به‌ صورت چاپ سه‌بعدی بین الیاف قرار می‌گیرد و مقاومت در برابر جداشدگی لایه‌ها را دو تا چهار برابر افزایش می‌دهد. نوآوری دوم، استفاده از لایه‌های کربنی است که با عبور جریان الکتریکی، گرم می‌شوند و باعث ذوب بخشی از ترموپلاستیک می‌شوند تا ترک‌های کوچک و بزرگ را پر و لایه‌های جداشده را به هم بچسبانند. بر اساس نتایج آزمایش، کامپوزیت Structeryx می‌تواند در شرایط واقعی قرن‌ها دوام بیاورد؛ اگر ترمیم آن فصلی انجام شود، طول عمر آن حدود ۱۲۵ سال خواهد بود و اگر سالی یک بار احیا شود، حتی تا نیم قرن نیز می‌تواند مقاومت کند. آزمایش‌های خودکار شامل هزار چرخه ترک ۵ سانتی‌متری و ترمیم در طول ۴۰ روز، نشان داد که عملکرد این ماده، چندین برابر فراتر از رکوردهای قبلی است.

برای مطالعه بیشتر: دانشمندان با حذف اکسیژن، هفت سرامیک فلزی جدید ساختند

جک توریسک یکی دیگر از نویسندگان مقاله گفت: «کامپوزیت ما از ابتدا مقاوم‌تر از نمونه‌های متداول است و این ماده خودترمیم حداقل برای ۵۰۰ چرخه ترک، مقاومت بالایی دارد و با وجود کاهش تدریجی سختی بین‌لایه‌ای پس از ترمیم‌های مکرر، این کاهش بسیار آهسته رخ می‌دهد.» این قابلیت خودترمیمی، افق‌های تازه‌ای در صنایع پیشرفته از جمله توربین‌های بادی، هواپیماها، فضاپیماها، ایستگاه‌های فضایی و کاوشگرهای بین‌سیاره‌ای باز می‌کند و امکان بهره‌برداری طولانی‌مدت از تجهیزات پیچیده را بدون نیاز به تعمیرات مکرر فراهم می‌آورد.