Вчені спробували з’ясувати, як довго один і той самий механізм відновлення зможе продовжувати працювати за умови багаторазових пошкоджень.

Волокнисто-армований композит відіграє ключову роль у сучасних літаках, вітрових турбінах, автомобілях і космічних апаратах, оскільки поєднує в собі низьку вагу та високу міцність. Однак у нього є недолік – деламінація, під час якої тріщини поширюються між внутрішніми шарами, що призводить до відшарування, пише Daily Galaxy.

Нещодавно команда вчених з Університету штату Північна Кароліна заявила, що змогла частково усунути цю проблему. У своєму дослідженні вони зазначили, що їхній композит витримав 1 000 циклів штучної деламінації та самовідновлення.

Експеримент вчених тривав близько 40 днів, під час якого в одному й тому ж зразку неодноразово створювали деламінацію, запускали систему внутрішнього нагрівання, а потім, після ремонту, знову піддавали матеріал навантаженню.

Вчені спробували з’ясувати, як довго один і той самий механізм відновлення зможе продовжувати працювати при багаторазових пошкодженнях. За їхніми словами, вдалося досягти відмінних результатів.

У виданні зазначили, що в основі конструкції лежить термопластичний полімер, який називається сополімером етилену та метакрилової кислоти (EMAA). Його наносять за допомогою 3D-друку безпосередньо на волокнисто-армований композит перед складанням, створюючи візерунковий прошарок між сусідніми листами.

У виданні додали, що полімер сприяє підвищенню в’язкості матеріалу ще до того, як виникне необхідність у ремонті. Вчені виявили, що модифікований матеріал може бути приблизно у два–чотири рази стійкішим до розшарування, ніж аналогічні традиційні композити.

Другу частину становлять тонкі шари нагрівачів з високим електричним опором. Вчені пояснили, що коли через них проходить струм, температура підвищується настільки, що EMAA розм’якшується або плавиться. Потім полімер проникає в тріщини та мікротріщини в пошкодженій зоні контакту й твердне в міру охолодження конструкції, відновлюючи зв’язок між відокремленими шарами.

Дослідницька група продемонструвала 100 циклів самовідновлення ще у 2022 році, а тепер їй вдалося досягти 1000 циклів. Для цього знадобився автоматизований випробувальний стенд, здатний багаторазово повторювати послідовність пошкодження та відновлення без ручного втручання після кожного циклу.

У кожному циклі розтягувальне навантаження спричиняло відшарування довжиною приблизно 50 міліметрів. Потім активувалися нагрівальні шари, що дозволяло EMAA відновити межу розділу перед повторним навантаженням зразка. Ця послідовність тривала доти, доки матеріал не пройшов 1 000 циклів.

Вчені відзначили, що після відновлення механічні характеристики композиту не залишалися незмінними. Стійкість до відшарування поступово знижувалася у міру збільшення кількості циклів, але ця втрата відбувалася відносно повільно.

"Оскільки наш композит спочатку має значно вищу в’язкість, ніж традиційні композити, цей самовідновлюваний матеріал краще протистоїть розтріскуванню, ніж наявні на ринку ламіновані композити, принаймні протягом 500 циклів. І хоча його міжшарова в’язкість дійсно знижується після багаторазового самовідновлення, цей процес відбувається дуже повільно", – розповів провідний автор дослідження Джек Турічек, аспірант Університету штату Північна Кароліна.

Термін служби матеріалу може сягати 500 років

Згідно з моделлю, деталь, яка потребує одного циклу самовідновлення кожні три місяці, теоретично могла б залишатися придатною до експлуатації протягом приблизно 125 років. Однак, за словами вчених, якби відновлення відбувалося лише один раз на рік, прогнозований термін служби збільшився б приблизно до 500 років.

У виданні підкреслили, що жодна з цих цифр не відображає підтвердженого терміну служби. В експерименті використовувалися лабораторні зразки, що піддавалися контрольованому відшаруванню, тоді як діючий літак або лопатка турбіни зазнавали б більш складних комбінацій навантаження, впливу навколишнього середовища, вібрації та ударних пошкоджень.