Koolstofvezelcomposieten - lichtgewicht en sterk - zijn geweldige structurele materialen voor auto's, vliegtuigen en andere transportvoertuigen. Ze bestaan ​​uit een polymeermatrix, zoals epoxy, waarin versterkende koolstofvezels zijn ingebed. Vanwege verschillen in de mechanische eigenschappen van deze twee materialen, de vezels kunnen loskomen van de matrix onder overmatige spanningen of vermoeidheid. Dat betekent dat schade in koolstofvezelcomposietstructuren verborgen kan blijven onder het oppervlak, niet detecteerbaar door visuele inspectie, mogelijk leidend tot catastrofaal falen.

"Koolstofvezelcomposieten falen catastrofaal, zodat je geen schade ziet totdat de hele constructie is uitgevallen, " zei Chris Bowland, een Wigner Fellow bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. "Door te weten wat er in de composiet gebeurt, je kunt zijn gezondheid beter beoordelen en weten of er schade is die gerepareerd moet worden."

Onlangs, Bowland en Amit Naskar, leider van ORNL's Carbon and Composites Group, vond een roll-to-roll-proces uit om elektrisch geleidende koolstofvezels te coaten met halfgeleidende siliciumcarbide-nanodeeltjes. Dit in nanomateriaal ingebedde composiet is sterker dan andere vezelversterkte composieten en doordrenkt met een nieuw vermogen:het vermogen om zijn eigen structurele gezondheid te bewaken.

Wanneer voldoende gecoate vezels in een polymeer zijn ingebed, de vezels creëren een elektrisch netwerk en het bulkcomposiet wordt elektrisch geleidend. De halfgeleidende nanodeeltjes kunnen deze elektrische geleidbaarheid verstoren als reactie op uitgeoefende krachten, het toevoegen van een elektromechanische functionaliteit aan de composiet.

Als de composiet gespannen is, de connectiviteit van de gecoate vezels wordt verstoord en de elektrische weerstand in het materiaal verandert. Mocht stormturbulentie ervoor zorgen dat een samengestelde vliegtuigvleugel buigt, een elektrisch signaal kan de computer van het vliegtuig waarschuwen dat de vleugel overmatige stress heeft doorstaan ​​en een aanbeveling voor een inspectie vragen.

ORNL's roll-to-roll demonstratie bewees in principe dat de methode kan worden opgeschaald voor grootschalige productie van gecoate vezels voor composieten van de volgende generatie. Zelfgevoelige composieten, misschien gemaakt met een hernieuwbare polymeermatrix en goedkope koolstofvezels, zouden kunnen vinden in alomtegenwoordige producten, zelfs inclusief 3D-geprinte voertuigen en gebouwen.

Om nanodeeltjes-ingebedde vezels te fabriceren, de onderzoekers laadden spoelen van hoogwaardige koolstofvezel op rollen die de vezel doopten in epoxy geladen met in de handel verkrijgbare nanodeeltjes over de breedte van een virus (45-65 nanometer). De vezel werd vervolgens in een oven gedroogd om de bekleding te fixeren.

Om de sterkte te testen waarmee in nanodeeltjes ingebedde vezels aan de polymeermatrix hechtten, de onderzoekers maakten vezelversterkte composietbalken met de vezels in één richting uitgelijnd. Bowland voerde stresstests uit waarbij beide uiteinden van deze cantilever werden vastgezet terwijl een machine die de mechanische prestaties beoordeelde, op het midden van de balk duwde totdat deze het begaf. Om de detectiemogelijkheden van de composiet te onderzoeken, hij bevestigde elektroden aan beide zijden van de cantilever. In een machine die een "dynamische mechanische analysator" wordt genoemd, Hij klemde het ene uiteinde vast om de cantilever stil te houden. De machine oefende kracht uit aan het andere uiteinde om de balk te buigen terwijl Bowland de verandering in elektrische weerstand bewaakte. ORNL postdoctoraal onderzoeker Ngoc Nguyen voerde aanvullende tests uit in een Fourier-transform infraroodspectrometer om chemische stoffen te bestuderen. bindingen binnen de composieten en een beter begrip van de verbeterde mechanische sterkte die werd waargenomen.

De onderzoekers testten ook composieten gemaakt met verschillende hoeveelheden nanodeeltjes op het vermogen om energie te dissiperen - zoals gemeten door trillingsdempend gedrag - een vermogen dat ten goede zou komen aan structurele materialen die worden blootgesteld aan schokken, schudt, en andere bronnen van stress en spanning. Bij elke concentratie de nanodeeltjes verbeterden de energiedissipatie (met 65 tot 257 procent).

Bowland en Naskar hebben patent aangevraagd voor het proces om zelfgevoelige koolstofvezelcomposieten te maken.

"Dipcoating biedt een nieuwe manier om nieuwe nanomaterialen in ontwikkeling te gebruiken, ' zei Bowland.

ORNL's Laboratory Directed Research and Development Program ondersteunde het onderzoek, die is gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces , een tijdschrift van de American Chemical Society.

De titel van het artikel is "Roll-to-Roll Processing of Silicon Carbide Nanoparticle-Deposited Carbon Fiber for Multifunctional Composites."