Инженеры из Университета штата Северная Каролина и Университета Хьюстона опубликовали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences статью, в которой подробно описывается новый композитный материал со способностью к «самовосстановлению», не слишком отличающейся от способности культового Т-1000 из франшизы фильма «Терминатор». Композит из армированного волокном полимера (FRP), описанный в исследовательской работе, может обеспечить долговечность космических кораблей, самолетов, автомобилей и ветряных турбин на протяжении столетий.
Рекламируется, что самовосстанавливающийся композит практически неуязвим к расслоению, свойственному композитным материалам, где слои разделяются из-за трещин. Исследователи утверждают, что этот новый материал может восстанавливать эти разделения более 1000 раз. Уникальная конструкция этой системы самовосстановления позволяет проводить заживление без разборки. Процесс ремонта можно даже автоматизировать с помощью датчиков, которые обнаруживают повреждения и инициируют самовосстановление.
В случае успешной реализации эта инновация может произвести революцию в аэрокосмической отрасли и отрасли возобновляемой энергетики, значительно увеличив срок службы критически важных компонентов. К ним относятся лопасти ветряных турбин, кузова и конструктивные элементы автомобилей, фюзеляжи самолетов и различные агрегаты космических кораблей. Такой композит может не только сократить расходы; это также может помочь повысить безопасность и экологическую устойчивость, последнее из которых является серьезной проблемой для композитов FRP. Для сравнения: по прогнозам, к 2050 году одни только лопасти ветряных турбин будут производить 43 миллиона тонн отходов во всем мире. Такие самовосстанавливающиеся композиты из стеклопластика могут снизить надвигающуюся нагрузку на свалки и окружающую среду, задерживая окончательный вывод из эксплуатации компонентов, изготовленных из композитных материалов.
Термоэлектрический подход к самовосстановлению
Полимерные композиты охватывают все: от углеродного волокна и стекловолокна до различных арамидов и даже базальтовых волокон, причем первые два широко используются в аэрокосмической отрасли и возобновляемых источниках энергии. Композиты FRP прочны и легки, но подвержены распространенному разрушению, называемому расслоением, когда трещины могут привести к разделению слоев. Расслоение отчасти является причиной того, что компоненты FRP обычно имеют ограниченный срок службы от 15 до 40 лет.
Этот самовосстанавливающийся материал решает проблему расслоения за счет включения промежуточного слоя из поли(этилен-со-метакриловой кислоты) (EMAA), напечатанного на 3D-принтере, через определенные промежутки времени внутри стеклопластикового композита. Исследователи утверждают, что сами по себе слои EMAA увеличивают способность базового FRP-материала противостоять расслоению в два-четыре раза, и это без использования термопластической природы материала.
Эти встроенные слои EMAA соединены с тонким электрорезистивным нагревательным элементом, который может плавить термопласт по требованию. Процесс нагрева заставляет расплавленный ЭМАА течь в зазоры, трещины и микротрещины, образовавшиеся в результате расслоения, навсегда скрепляя разрушенные слои. Слой резистивного нагрева плавит только слои EMAA, не затрагивая целостность полимерной матрицы, что потенциально позволяет использовать его столетиями.
Смогут ли впечатляющие лабораторные результаты сохраниться в реальном мире?
Продление срока службы изделий из стеклопластика также может помочь сократить количество отходов, например, за счет увеличения срока службы ветряных турбин. Это было бы невозможно при предыдущих попытках создания самовосстанавливающихся волокнистых композитов, которые были ограничены небольшим количеством циклов самовосстановления. Однако ученые, стоящие за этим прорывом, ожидают, что этот подход обеспечит срок службы примерно 125 лет с ежеквартальными циклами лечения или до 500 лет с ежегодным циклом лечения. Более сложные развертывания также можно сочетать с системами, оснащенными датчиками, которые могут обнаруживать повреждения и при необходимости инициировать ремонт.
Хотя на бумаге все это звучит великолепно, эти результаты основаны на тестах, проведенных в лабораторных условиях, а заявления о цикле заживления и долговечности основаны на статистическом моделировании, которое не обязательно отражает практическое применение. Реальные условия могут быть жестокими и обнажить недостатки в статистических моделях долговечности исследователей. Более того, основной механизм заживления на основе EMAA основан на гидроксильных ионах, присутствующих на поверхности композитов из стекловолокна, для обеспечения прочного соединения. Углеродные волокна, однако, более химически инертны и лишены этих гидроксильных ионов, что делает процесс заживления менее эффективным для композитов из углеродного волокна, которые также составляют значительную часть аэрокосмического применения.
Исследовательская группа уже запатентовала процесс самовосстановления композита и лицензировала его через Structeryx Inc, стартап, специализирующийся на конструкционных композитных материалах. Нередко многообещающие технологии, такие как самовосстанавливающийся асфальт от Google, никогда ничего не дадут в реальной жизни, но шансы на то, что эта самовосстанавливающаяся композитная технология принесет хоть что-то, кажутся относительно многообещающими.
