Wetenschap
Onconventionele technologie verbetert composieten die belangrijk zijn voor de automobiel-, ruimtevaart- en hernieuwbare energie-industrie
Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een methode ontwikkeld die aantoont hoe vezelversterkte polymeercomposietmaterialen die worden gebruikt in de automobiel-, ruimtevaart- en hernieuwbare energie-industrie sterker en taaier kunnen worden gemaakt om in de loop van de tijd beter bestand te zijn tegen mechanische of structurele spanningen. /P>
Het artikel waarin dit onderzoek wordt beschreven, getiteld "Enhancing Composite Toughness Through Hiërarchical Formation", is gepubliceerd in Advanced Science en staat op de binnenomslag van het tijdschrift.
De composieten hebben al veel goede dingen te bieden. Ze zijn sterk en lichtgewicht in vergelijking met hun metalen tegenhangers. Ze zijn ook corrosie- en vermoeidheidsbestendig en kunnen worden aangepast om te voldoen aan specifieke industriële prestatie-eisen. Ze zijn echter kwetsbaar voor schade door spanning, omdat twee verschillende materialen – stijve vezels en een zachte matrix, of een bindmiddel – worden gecombineerd om ze te maken. De interfase tussen de twee materialen moet worden verbeterd vanwege de invloed ervan op de algehele mechanische eigenschappen van de composieten.
Sumit Gupta van ORNL zei dat het onderzoeksteam thermoplastische nanovezels zoals spinnenwebben heeft afgezet om op chemische wijze een ondersteunend netwerk te creëren dat de interfase versterkt. Hun techniek verschilt van conventionele methoden om de vezeloppervlakken te bedekken met polymeren of om een stijve basis te bieden om de hechting tussen de vezel en de matrix te verbeteren. Deze methoden zijn inefficiënt en duur gebleken.
Gupta zei dat hij en het team de nanovezels en het matrixmateriaal zorgvuldig hebben geselecteerd om steigers of overbruggen met een groot oppervlak te creëren als belastingoverdrachtspad, een mechanisme waardoor spanning wordt doorgegeven tussen de versterkende vezels en het omringende matrixmateriaal.
"Ons proces zorgt ervoor dat het materiaal grotere spanningen kan weerstaan. Door deze eenvoudige, schaalbare en goedkope aanpak te gebruiken, zijn we in staat de sterkte van de composieten met bijna 60% en de taaiheid met 100% te vergroten", zei hij.
Composieten die met een dergelijke vooruitgang zijn vervaardigd, kunnen talloze dingen verbeteren die in ons dagelijks leven worden toegepast, van voertuigen tot vliegtuigen.
"Toen we eenmaal de fundamentele wetenschap en de chemie kenden achter wat we hadden ontwikkeld, kregen we er vertrouwen in dat we over waardevolle toegepaste technologie beschikten", zegt Christopher Bowland van ORNL. “Het pionieren van nieuwe technologie en het begrijpen van fundamentele wetenschap is één aspect van het werk dat we doen. Een ander facet van toegepast onderzoek is echter het onderzoeken hoe de technologie kan worden vertaald naar toepassingen in de echte wereld, ten behoeve van de samenleving. Werken met het Technology Transfer-team van ORNL, een Er is patent aangevraagd op dit onderzoek om de technologie mogelijk te vertalen naar commerciële partners."
Bowland zei dat toekomstig onderzoek zich afspeelt in verschillende vezel- en matrixsystemen die compatibele chemische groepen hebben, en de onderzoekers zijn van plan meer onderzoek naar de nanovezels zelf uit te voeren om hun sterkte te vergroten.
Deze studie maakt deel uit van het nieuw opgerichte Composites Core Program 2.0 van het Materials Technology Program van het Vehicle Technologies Office binnen DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, of VTO-EERE. Het programma, geleid door ORNL samen met de deelnemende laboratoria Pacific Northwest National Laboratory en het National Renewable Energy Laboratory, streeft ernaar de voertuigefficiëntie te verbeteren door middel van geavanceerde materiaalontwikkeling.
"Eén route om de doelstelling van het programma te bereiken is het vervangen van zwaardere stalen componenten door koolstofvezelcomposieten, die momenteel het beste gewichtsreductiepotentieel bieden", zegt Amit Naskar, leider van ORNL's Carbon and Composites-groep. "Het ontwikkelen van sterkere en hardere interfasen in hoogwaardige vezelversterkte composieten kan de vezelvolumefractie verminderen met verbeterde massareductie en daaropvolgende kosteneffectiviteit van de composietstructuren."
Het onderzoeksteam gebruikte middelen van de Compute and Data Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL voor computationele studies om de fundamentele bindingskrachten te begrijpen. Het team maakte ook gebruik van atoomkrachtmicroscopie bij het Center for Nanophase Materials Sciences, of CNMS, om de stijfheid of rigiditeit van de ontworpen interfase te karakteriseren. De CNMS is een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL.