Razvijen materijal koji sam sebe popravlja: Može da se koristi za sve, produžava vek trajanja i do 500 godina
Tim američkih inženjera razvio je novi kompozitni materijal koji može da se "samopopravi" više od 1.000 puta, što bi u teoriji moglo da produži radni vek ključnih delova u avio-industriji, automobilskoj proizvodnji i vetroenergetici čak i do nekoliko vekova.
Reč je o vlaknastom kompozitu koji je dizajniran tako da sam sanira unutrašnja oštećenja, a rezultati laboratorijskih testova pokazali su da može višestruko da popravi čest strukturni kvar poznat kao delaminacija, bez gubitka osnovne funkcionalnosti materijala.
Istraživanje je sprovela grupa američkih naučnika, a glavni fokus bio je na unapređenju vlaknima ojačanih polimernih (FRP) kompozita, koji se već decenijama koriste zbog svoje velike čvrstoće i male mase.
Skrivena slabost današnjih "super materijala"
Upravo ti materijali nalaze se u avionima, automobilima, vetroturbinama i svemirskim letelicama, ali imaju jednu ozbiljnu slabost – sklonost razdvajanju slojeva, odnosno delaminaciji, koja može naglo da oslabi konstrukciju.
Profesor građevinskog i ekološkog inženjerstva sa Državnog univerziteta Severne Karoline Džejson Patrik, koji je i jedan od autora studije, ističe da je delaminacija poznat problem još od 1930-ih godina, dok klasični FRP kompoziti u praksi imaju projektovani vek trajanja od oko 15 do 40 godina.
"Ugrađeni" sloj koji sprečava pucanje od samog početka
Novi materijal izgleda kao standardni FRP kompozit, ali u sebi ima dve ključne inovacije. Prva je specijalni termoplastični sloj koji je 3D štampan direktno na vlaknima i koji služi kao "međusloj" između laminata. Taj sloj je napravljen od EMAA polimera (polietilen-ko-metakrilna kiselina) i ne samo da reaguje na oštećenja, već i unapred povećava otpornost materijala, pa je kompozit u startu dva do četiri puta otporniji na delaminaciju.
Druga inovacija odnosi se na sistem za aktivno "samolečenje". U materijal su ugrađeni tanki slojevi na bazi ugljenika koji funkcionišu kao grejači. Kada se kroz njih pusti električna struja, oni zagrevaju strukturu, što dovodi do topljenja EMAA sloja. Tako omekšani materijal zatim prodire u pukotine i mikrooštećenja i ponovo spaja razdvojene delove, praktično "zavarujući" strukturu iznutra.
"Termalno obnavljanje"
Istraživači taj proces nazivaju "termalno obnavljanje", a on se oslanja na ponovno povezivanje i preplitanje polimera na mestu oštećenja. Ipak, sistem nije potpuno autonoman – u realnim uslovima potrebno je upravljanje, senzori i odluka kada se aktivira proces grejanja i popravke.
U laboratoriji je materijal prošao ekstremno dug test izdržljivosti. Automatizovani sistem je ponavljao cikluse oštećenja i popravke: materijal je prvo opterećivan dok ne nastane delaminacija od oko 5 centimetara, zatim je aktiviran proces grejanja i "zarastanja", pa je ponovo testiran pod opterećenjem. Ovaj proces je ponovljen 1.000 puta tokom 40 dana neprekidnog testiranja.
Značajan iskorak
Prema navodima istraživačkog tima, rezultat predstavlja značajan iskorak u odnosu na prethodne slične tehnologije, jer je izdržljivost materijala ostala stabilna i nakon stotina ciklusa.
Vodeći autor studije Džek Turicek naveo je da je materijal na početku pokazivao znatno veću otpornost od standardnih kompozita i da je zadržao superiorne performanse najmanje 500 ciklusa. Ipak, istraživači napominju da se žilavost vremenom smanjuje, doduše veoma sporo.
Potencijalni vek do 500 godina
Na osnovu modela dugoročnog ponašanja, naučnici procenjuju da bi komponente napravljene od ovog materijala, uz redovno "lečenje" na svakih nekoliko meseci, mogle da traju oko 125 godina, dok bi uz godišnje održavanje potencijalni vek mogao da dostigne i do 500 godina.
Potencijalne posledice ovakvog otkrića posebno su značajne za sektore koji zavise od velikih kompozitnih struktura. Vetroturbine, na primer, koriste lopatice od FRP materijala koje se teško popravljaju i još teže recikliraju. Prema podacima američke Nacionalne laboratorije za obnovljivu energiju (NREL), takve lopatice imaju prosečan vek od oko 20 godina, a ponekad i kraći.
Stručnjaci te laboratorije upozoravaju da bi ukupna količina otpada od vetroturbina u SAD mogla da dostigne oko 2,2 miliona tona do 2050. godine, u skladu sa trenutnim stopama zamene i demontaže.
Materijali posebno važni za svemirske letelice
Upravo tu se vidi potencijal nove tehnologije - produženjem životnog veka komponenti smanjuje se potreba za proizvodnjom novih, transportom i odlaganjem velikih kompozitnih delova, što bi moglo da umanji ukupni industrijski otpad i troškove.
Sličan efekat mogao bi da se oseti i u avio-industriji i svemirskim programima, gde su delovi izloženi visokim opterećenjima, a popravke često kompleksne ili nemoguće. Profesor Patrik navodi da bi ovakvi materijali mogli da budu posebno važni za svemirske letelice, gde je održavanje u realnim uslovima ograničeno.
Pred naukom i industrijom je još niz izazova
Ipak, pred naukom i industrijom je još niz izazova. Neophodna su testiranja u realnim uslovima, uključujući ekstremne temperature, vlagu, dugotrajni zamor materijala i udare poput grada ili sudara sa pticama, pre nego što tehnologija bude spremna za širu primenu u bezbednosno kritičnim sistemima.
Tim koji stoji iza razvoja već je zaštitio tehnologiju patentom i kroz startap kompaniju Structeryx Inc. počeo proces razmišljanja o komercijalizaciji.
Studija je objavljena u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.
Biznis Kurir/Blic
