Група американських інженерів стверджує, що створила волокнистий композит, здатний відновлювати внутрішні пошкодження більш як 1000 разів. Цей прорив може значно продовжити термін служби всього - від лопатей вітряних турбін до деталей літаків.
У лабораторних випробуваннях матеріал багаторазово відновлював поширену несправність, яку називають розшаруванням, і дослідники припускають, що це може збільшити типовий термін служби композитних матеріалів з кількох десятиліть до кількох століть.
Дослідження було опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Чому це важливо для довкілля? Тому що сучасні технології чистої енергії та низького рівня викидів значною мірою спираються на легкі композити, які важко ремонтувати та часто складно переробляти, тому їх, як правило, замінюють, а не справді чинять.
Якщо критично важливий компонент можна ремонтувати знову і знову на місці, то виробляється, відвантажується та утилізується менше масивних деталей. А це змінює розрахунки щодо промислових відходів.
Приховане слабке місце сучасних «суперматеріалів»
Армовані волокном полімерні (FRP) композити популярні з простої причини. Вони забезпечують високу міцність без зайвої ваги, тому їх використовують у літаках, автомобілях, вітряних турбінах та навіть космічних апаратах.
Проте вони мають ахіллесову п'яту — міжшарове розшарування, коли шари всередині композиту починають розходитися після утворення тріщин. Як тільки починається це розшарування, структурна цілісність може швидко знижуватися, і оператори часто потрапляють у замкнене коло перевірок, ремонтів та заміни деталей.
Джейсон Патрік, професор цивільного та екологічного будівництва в Університеті штату Північна Кароліна і провідний автор дослідження, говорить прямо: "Розшарування було проблемою для композитів з армованого волокном полімеру з 1930-х років", — сказав він, додавши, що термін служби звичайних армованих волокном композитів становить приблизно від 15 до 40 років.
"Вбудований" шар, який ускладнює утворення тріщин з першого дня
Новий матеріал виглядає як стандартний композит з армованого волокном полімеру, але всередині нього ховаються два ключові вдосконалення. Спочатку команда наносить термопластичний агент, що самовідновлюється, методом 3D-друку безпосередньо на армувальне волокно, створюючи структурований проміжний шар між ламінатами композиту.
Цей проміжний шар виготовлений з полі(етилен-метакрилової кислоти), відомої як EMAA, і він робить більше, ніж просто затримує пошкодження. Дослідники повідомляють, що він робить ламінат приблизно у два-чотири рази більш стійким до розшарування із самого початку, що дуже важливо, оскільки запобігти тріщинам завжди простіше, ніж боротися з ними пізніше.
Уявіть це як створення гнучкого шва у жорсткій конструкції. Це, як і раніше, один компонент, але він з меншою ймовірністю «зруйнується» зсередини при навантаженні, попаданні сміття або багаторазовому згинанні в реальних умовах.
Тепло, електрика та ремонт, що відбувається всередині матеріалу
Друге вдосконалення - це набір тонких нагрівальних шарів на основі вуглецю, вбудованих у композит. Коли через ці шари проходить електричний струм, вони нагрівають та розплавляють проміжний шар EMAA, дозволяючи йому проникати у тріщини та мікротріщини, а потім відновлювати пошкоджений інтерфейс.
Іншими словами, композит призначений для самовідновлення, але не за допомогою зовнішньої латки, а з матеріалом, що вже знаходиться всередині структури. Дослідники описують цей механізм як «термічне відновлення», процес ремонту, заснований на розм'якшенні термопласту та повторному переплетенні у місці руйнування.
Звичайно, це не чаклунство. Необхідний спосіб безпечного запуску нагріву, і в багатьох випадках це означає використання датчиків, керування живленням та протоколів технічного обслуговування, що визначають, коли варто запускати цикл відновлення.
Що насправді показують 1000 циклів руйнування та відновлення
Заголовна цифра вражає, але деталі тестування мають значення. Для оцінки довготривалої продуктивності команда створила автоматизовану систему, яка багаторазово докладала зусилля, що розтягували матеріал, до тих пір, поки не відбувалося розшарування довжиною близько 2 дюймів, потім активувала процес нагріву і вимірювала, яке навантаження матеріал міг витримати до повторного розшарування.
Вони провели 1000 послідовних циклів руйнування та відновлення протягом 40 безперервних днів, вимірюючи опір після кожного ремонту. Команда описала це як результат, що приблизно на порядок перевершував їхній попередній рекорд у цій галузі досліджень.
Провідний автор дослідження Джек Турічек сказав, що композит спочатку «значно міцніший», ніж звичайні версії, і чинив опір розтріскування краще, ніж наявні ламіновані композити принаймні протягом 500 циклів. Дослідники також повідомляють, що міцність знижується при повторному відновленні, але дуже повільно, і вони припускають, що компоненти можуть залишатися функціональними близько 125 років при щоквартальному відновленні або до 500 років при щорічному відновленні.
Чому це може мати значення для відходів відновлюваної енергії
Вітроенергетика є екологічно чистою в момент генерації, але обладнання не є невагомим, і лопаті не випадково виготовляються з композитних матеріалів, що важко переробляються. Проблема в тому, що ці матеріали важко переробляти, і заміна лопатей створює зростальну проблему утилізації відходів у цьому секторі.
Дослідники з Національної лабораторії відновлюваної енергії зазначають, що великі лопаті вітряних турбін важко переробляти, і, за їх оцінками, сукупний обсяг відходів лопатей у США може становити близько 2,2 мільйона тонн до 2050 року, виходячи з поточних темпів виведення з експлуатації.
Вони також вказують на те, що термін служби вітряних турбін становить близько 20 років, іноді менше, якщо їх модернізувати.
Продовження терміну служби лопатей не розв'язує проблему перероблення, але може відстрочити й зменшити її. Якщо згодом потрібно замінювати менше лопатей, то менше вантажівок з гігантськими композитними деталями з'являться в очікуванні звалищ, цементних печей або обмежених шляхів перероблення, що існують сьогодні, і це може допомогти знизити вартість чистої електроенергії, коли літня спека збільшує рахунки за електрику.
Від літаків до далекого космосу, а також реальні перешкоди
Патрік стверджує, що такий підхід може знизити витрати матеріалів, трудовитрати, енергоспоживання та відходи у різних галузях промисловості шляхом зменшення необхідності заміни пошкоджених компонентів. Він також каже, що ця технологія може бути «виключно важливою» для космічних апаратів, де ремонт на місці може бути ускладненим або неможливим.
Проте, експерти хочуть подивитися, як система поводиться поза лабораторією. Сертифікаційні випробування, цикли вологості та температури, довготривала втома та реальні сценарії ушкоджень, такі як град та зіткнення з птахами, матимуть значення, особливо коли йдеться про безпеку людей.
Команда запатентувала та ліцензувала технологію через свій стартап Structeryx Inc., що свідчить про те, що вона вже думає про масштабування та впровадження, а не про збереження технології у неактивному вигляді.
Зрештою, обіцянка проста і практична: більше ремонтувати, менше замінювати й скоротити матеріальний слід машин, від яких ми залежимо.
