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Materiali auto-riparativi potrebbero far durare i pezzi di auto per oltre 100 anni
Ricercatori della North Carolina State University e dell’Università di Houston hanno raggiunto un’auto-guarigione sostenuta di un materiale composito.
Ricercatori della North Carolina State University e dell’Università di Houston hanno raggiunto un’auto-guarigione sostenuta di un materiale composito.
I risultati promettono di prolungare la vita di aeromobili e componenti automobilistici di un secolo, secondo un recente articolo pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences.
I materiali compositi legano due o più componenti per ottenere resistenza, flessibilità e durata equilibrate.
L’osso è un esempio naturale, che combina fibre di collagene flessibili con la rigidità di vari minerali.
I polimeri rinforzati con fibre (FRP) sono analoghi sintetici che incorporano fibre forti all’interno di una matrice polimerica per ottenere vantaggi materiali simili, rendendoli onnipresenti nei settori aerospaziale, navale e dell’energia eolica.
Sebbene il legame di più strati sia necessario per imporre resistenza, rende il materiale soggetto alla delaminazione interlaminare, ovvero alla separazione degli strati.
Il ricercatore principale Jack Turicek descrive questo tipo di delaminazione come “una delle modalità di guasto più comuni e limitanti di vita nelle FRP”.
Sebbene la natura vanti la straordinaria capacità di guarire autonomamente e ripetutamente dalla delaminazione, raggiungere un’impresa simile nei materiali sintetici è diventata possibile solo ora.
I ricercatori hanno utilizzato un metodo noto come “thermal remending” per consentire l’auto-guarigione.
Innanzitutto, un agente curativo, poli(etilene-co-metacrilico) o EMAA, viene incorporato in un composito a matrice epossidica in fibra di vetro durante l’induritura. Questo forma forti legami covalenti tra EMAA e l’epossidica.
Per testare i loro materiali, i ricercatori crearono sistematicamente una frattura applicando un carico di trazione controllato fino a raggiungere i 50 mm.
Poi, per iniziare la guarigione, riscaldavano il materiale usando riscaldatori elettrici integrati.
Il calore vaporizzava piccole bolle d’acqua create durante il processo iniziale di polimerizzazione, creando una rete microporosa che espandeva fisicamente e diffondeva l’EMAA nella frattura – il cosiddetto “meccanismo di erogazione della pressione”.
Successivamente, 30 minuti di raffreddamento convettivo naturale a temperatura ambiente hanno permesso all’EMAA di solidificarsi, formando nuovi legami a idrogeno e ioni tra EMAA ed epossidica.
I legami riconnettevano le interfacce che si erano rotte, ripristinando l’integrità strutturale del materiale.
Il team ha ripetuto l’intera procedura su 1000 cicli.
Uno studio così prolungato era precedentemente impossibile a causa della durata del ciclo di più giorni.
In questo lavoro, i ricercatori hanno installato dispositivi elettrici, termici e meccanici programmabili che avviavano automaticamente la frattura, rilevavano i progressi per innescare la guarigione e monitoravano la cripa rilegata prima di ripetere il ciclo.
Questa automazione ridusse la durata del ciclo a un’ora e l’esperimento completo a soli 40 giorni.
Il team ha quantificato l’efficacia della guarigione utilizzando il tasso critico di rilascio dell’energia dello sforzo (GIC), una misura dell’energia necessaria per propagare una crepa.
Il materiale contenente EMAA mostrò la massima guarigione al ciclo di test 7, con il 230% della GIC valore di una RFP che non contiene EMAA.
I risultati sono scesi al 180% al ciclo 100 e al 60% al ciclo 1000.
Quando i dati sono stati adattati a una distribuzione di Weibull, un modello comune per il fallimento dei materiali, la guarigione si avvicinava asintoticamente a un limite inferiore del 40% – suggerendo che una riparazione sostenuta sia possibile.
Dei 1000 cicli testati, il composito auto-riparante ha mantenuto un recupero da frattura superiore al 100% rispetto ai materiali non EMAA per 500 cicli.
Basandosi su una durata di 500 cicli, i pezzi realizzati con il nuovo materiale potrebbero durare da 125 a 500 anni, assumendo un programma di riparazione trimestrale o annuale – una tempistica che supera di gran lunga la vita di progetto attuale, di circa 40 anni.
L’integrazione con le infrastrutture industriali esistenti è imminente.
“Abbiamo progettato sia gli interstrati degli agenti curanti sia i riscaldatori resistivi per essere facilmente integrati nei compositi reali con i processi di fabbricazione esistenti. Questi componenti funzionali permettono l’auto-riparazione in situ (cioè nell’ambiente di servizio) tramite l’ingresso di energia elettrica ai riscaldatori,” afferma Turicek.
“Per abilitare l’auto-guarigione autonoma, è necessario un elemento sensoriale in grado di rilevare danni per attivare automaticamente l’accensione e spegnere una volta riparato. Abbiamo una tecnologia così all’orizzonte prossimo.”
La tecnologia è stata brevettata da Jason Patrick, investigatore principale di questa ricerca e chief technology officer della startup Structeryx.
Patrick afferma che l’azienda intende “collaborare con partner esistenti e nuovi nel settore della difesa e del settore per personalizzare la tecnologia secondo varie esigenze”, oltre a scalare la produzione.
Sebbene spesso cerchiamo modi per riparare oggetti rotti, i materiali del futuro potrebbero forse ripararsi da soli.
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