Среда, 25 мая 2022

Технологии

Самовосстановление структуры деталей из композитов

учёные-исследователи разработали стекловидный углепластик, в котором усталостное повреждение многократно восстанавливается путём нагревания до температуры выше определенной точки, известной как «температура замерзания топологии», где происходят обратимые реакции «сшивания»

Спрос на лёгкие, высокопроизводительные полимерные композиты, армированные углеродным волокном (CFRPS – carbon-fiber reinforced polymer composites), растёт для применения в конструкциях в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, морском транспорте, спортивном оборудовании и возобновляемых источниках энергии. Хотя эти материалы обладают лучшей удельной прочностью и жёсткостью, чем многие металлы, они тоже подвержены усталостному разрушению. В то время как зарубежный рынок CFRPS может представлять стоимости $30 млрд к 2024 году, затраты на системы мониторинга состояния конструкций для обнаружения усталостных повреждений могут достигать более $5 миллиардов. Для борьбы с этой проблемой изучаются нанодобавки, блокирующие распространение трещин по материалу, и самовосстанавливающиеся полимеры.

В цивилизованных странах, уделяющих внимание изысканиям новых технологий, нежели тупой распродажи национального природного достояния, разработали углепластик с стекловидной полимерной матрицей, которая может обратить вспять усталостное повреждение. Композитный материал из углеродного волокна, в котором эпоксидная матрица, связывающая углеродные волокна, представляет собой специализированное стекловолокно. Данный материал похож на обычную эпоксидную смолу, но с одним важным отличием – он обладает способностью исцелять себя при нагревании выше критической температуры.

Координаты реакции для реакции заживления; полимерная цепь с диглицидиловым эфиром бисфенола-А / адипиновой кислоты проходит реакцию переэтерификации, где адипиновая кислота переключается с одной эпоксидной молекулы на другую.
Координаты реакции для реакции заживления; полимерная цепь с диглицидиловым эфиром бисфенола-А / адипиновой кислоты проходит реакцию переэтерификации, где адипиновая кислота переключается с одной эпоксидной молекулы на другую.

Усталость в CFRPS возникает в термореактивной полимерной матрице, которая состоит из сети молекулярных цепей, которые становятся связанными при отверждении. Во время использования эти поперечные связи могут защелкиваться или разрываться, вызывая рост трещин, которые в конечном итоге приводят к отказу. Этот тип разрушения необратим: нанодобавки блокируют такие трещины, но не могут их удалить, в то время как самовосстанавливающиеся полимеры, которые выделяют отвердители для герметизации микротрещин, расходуются.
Вместо этого учёные-исследователи разработали стекловидный углепластик, в котором усталостное повреждение многократно восстанавливается путём нагревания до температуры выше определенной точки, известной как «температура замерзания топологии», где происходят обратимые реакции «сшивания». Композит состоит из витримерной матрицы, синтезированной из обычной эпоксидной смолы и карбоновой кислоты в присутствии подходящего катализатора, в который встраиваются препреги из углеродного волокна.

Усталость композитов может быть обращена вспять, даже после 100 тысяч циклов повреждения, методом периодического нагрева до чуть более 80° C в течение часа. Кроме того, использование склонности углеродных материалов нагреваться под воздействием радиочастотных (ВЧ) электромагнитных полей может заменить использование обычных нагревателей. Топление усиленного волокна (RF) может быть использовано для выборочного излечения компонента, лишь части более большой структуры, или применяться к самым уязвимым частям.

Подход направлен на «необратимый» характер усталостного повреждения и может обеспечить почти неопределённое обращение или отсрочку вызванного усталостью повреждения в стекловидных CFRPS. Таким образом, конструкционные материалы могут прослужить гораздо дольше, чем в настоящее время, что приводит к существенному улучшению затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию изделий.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.