Vliegtuigen zijn kolossen in de lucht; een commercieel vliegtuig is ouder dan 6, 000 keer zo zwaar als een grote Canadese gans. Bij 500 mph, echter, deze kolossen zijn niet ongevoelig voor impact, zelfs van de schijnbaar onschuldige gans. Dergelijke schade kan leiden tot een reeks problemen, van schommelingen in luchtdruk en hoogte.

USC-onderzoekers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat dergelijke impactschade in de lucht kan herstellen, zodra het zich voordoet. Het team, geleid door Qiming Wang, Stephen Schrank Early Career Chair en assistent-professor aan de Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering, creëerde 3D-roosterstructuren - structuren met herhalende cellen - die autonoom herstellen van impactschade, eerst de oorspronkelijke vorm van de constructie herstellen en vervolgens de fatale breuken of breuken in het materiaal genezen.

"Traditioneel, rooster structuren, terwijl lichtgewicht, een lage schadetolerantie hebben, wat betekent dat als er impact is, het verspreidt zich gemakkelijk, uiteindelijk afbreuk doen aan de structuur. Het materiaal dat we hebben gemaakt, heeft een hoge schadetolerantie, ' zei Wang.

Het nieuwe materiaal wordt gekenmerkt door een hoge sterkte en stijfheid. In tegenstelling tot traditionele zelfherstellende materialen, Wang zei, in het geval van een breuk, er is geen handmatige tussenkomst vereist. "Je hoeft de gebroken stukken niet weer tegen elkaar te duwen om het materiaal te laten genezen, Wang zei. "De karakteristiek van ons nieuwe materiaal om de vorm te onthouden, betekent dat de gebroken stukken zichzelf autonoom weer in de oorspronkelijke vorm zullen uitlijnen, voorafgaand aan het begin van de genezing van de individuele banden."

Het onderzoeksteam bestaat uit:USC Viterbi Ph.D. studenten Kunhao Yu, Haixu Du, een Xin, Kyung Hoon Lee, en Zhangzhengrong Feng; Professor in het Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering Sami F. Masri; Professor in de Daniel J Epstein afdeling industriële en systeemtechniek Yong Chen; en University of Missouri Department of Mechanical and Aerospace Engineering Professor Guoliang Huang. Hun werk werd gepubliceerd in NPG Azië-materialen .

Zelfgenezend, Vorm Memorizable en Photocurable

3D-roosterstructuren zijn niet eenvoudig te fabriceren. Zei Wang:"De bestaande methode - laag voor laag laminaat assembleren - is tijdrovend." Echter, Wang zei, 3D-printen te kunnen gebruiken, je bent beperkt tot bepaalde materialen. Deze materialen missen de eigenschappen die nodig zijn voor autonoom zelfgenezing.

Om een ​​nieuw materiaal te creëren dat alle gewenste eigenschappen had, de onderzoekers bouwden voort op een eerdere innovatie:een meer rubberachtig zelfherstellend materiaal met dynamische bindingen (disulfidebindingen) die zelfgenezing veroorzaken. Wanneer deze banden uit elkaar vallen, de toepassing van warmte duwt ze weer bij elkaar om de oorspronkelijke bindingen te hervormen. Hoewel zelfgenezend, het rubberachtige materiaal was te zacht om veel gewicht te dragen.

Om de eigenschappen op te nemen die nodig zijn om hun doelen te bereiken, de onderzoekers voegden kristallijne domeinen toe - polymeren met een hoge stijfheid en reactievermogen op warmte. "Het materiaal is sterk als teflon. In onze studies, we ontdekten dat het materiaal 1 kon ondersteunen, 000 keer zijn eigen gewicht, ' zei Wang.

Toen de onderzoekers de kristallijne domeinen incorporeerden, ze hebben ook een andere belangrijke eigenschap toegevoegd:vormgeheugen, wat betekent dat de polymeren de oorspronkelijke vorm van de structuur onthouden.

Om al hun doelen te bereiken, de onderzoekers voegden ook de chemische groep acrylaat toe (vaak gebruikt in lijmen), waardoor het materiaal foto-uithardbaar werd, of reactief wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan licht. Deze eigenschap was essentieel voor het gebruik van een 3D-printtechniek genaamd stereolithografie, waarbij licht ervoor zorgt dat het vloeibare materiaal laag voor laag stolt om vaste roosterstructuren te vormen.

Wanneer er stootschade optreedt, een materiaal vertoont meestal twee vormen van vervorming:een deuk of vormverandering en structurele breuken (gebroken bindingen). traditioneel, met bestaande zelfherstellende materialen, Wang zei dat breuken kunnen worden genezen, maar pas toen de gebroken stukken handmatig opnieuw werden uitgelijnd, waardoor het object in feite weer in zijn oorspronkelijke vorm werd geduwd. Met het nieuwe materiaal vormherstel en breukherstel vinden beide autonoom plaats, met toepassing van warmte.

Het proces begint met de impact. Zodra een structuur beschadigd is, warmte op afstand - toegepast bij 80 graden Celsius (ongeveer 176 graden Fahrenheit) in het onderzoek - wordt toegepast om het vormherstelproces te starten. In dit geval, de onderzoekers creëerden een zijvleugel en sloegen er een gewicht in. Eenmaal beschadigd, de hitte werd toegepast. De oorspronkelijke vorm van de vleugel was binnen twee minuten hersteld. Onder voortdurende warmte, de gebroken stukken beginnen banden te hervormen en te genezen. Na zes uur, het materiaal keerde terug naar zijn oorspronkelijke sterkte en structuur.

In dit onderzoek, de onderzoekers voltooiden tien cycli van schade en genezing met dezelfde structuur. Zelfs na de tiende cyclus, de structuur behield hetzelfde niveau van mechanische integriteit als oorspronkelijk.

vliegtuigen, Treinen en auto's

Deze nieuwe vakwerkconstructies kunnen worden gebruikt om een ​​willekeurig aantal voertuigen te versterken, van vliegtuig tot auto. "Als er een ongeluk gebeurt, het repareren van deuken en scheuren aan een carrosserie is altijd erg lastig, Wang zei. "Maar als de carrosserie van onze nieuwe roosterstructuren zou zijn gemaakt, deze reparatie kan autonoom plaatsvinden, het lichaam terugbrengen naar zijn oorspronkelijke vorm en functie, zonder extra kosten of buitensporige reparatietijden."

praktisch, Wang ziet dit materiaal samenwerken met sensoren. Als de sensor impactschade oppikt, een verwarming wordt geactiveerd, het genezingsproces beginnen. Andere toepassingen zijn onder meer defensievoertuigen, zoals tanks, of kogelwerende vesten/pantser. Wang zei dat dit materiaal langere gebruiksperioden en een betere schadetolerantie voor belangrijke onderdelen zou kunnen bieden.

Een andere toepassing is een direct gevolg van het vormgeheugen en de helende eigenschappen zelf. Wang zei dat als je een structuur knipt of verandert om deze in een andere te transformeren, bijvoorbeeld van een driehoek naar een kagome (op sterren gebaseerde) vorm, je kunt het materiaal afstemmen om verschillende kwaliteiten te vertonen, bijvoorbeeld, demping versus het uitzenden van bepaalde trillingsfrequenties. Zodra een dergelijk gebruik is voltooid, door warmte toe te passen, keert de structuur terug naar zijn oorspronkelijke vorm.