Samouzdravovací chytrý plast je pevnější než ocel
Ultraodolný recyklovatelný kompozit z uhlíkových vláken, který se dokáže sám uzdravovat jako kůže a měnit tvar působením tepla, vytvořený výzkumníky v oblasti materiálových věd z Texas A&M University, může způsobit revoluci v leteckém, obranném a automobilovém průmyslu.
Nový pokročilý materiál nazvaný ATSP (Aromatic Thermosetic Copolyester) umožňuje opravit poškozené části letadla či vozidla včetně vytvoření tvarování. Je schopen obnovit komponenty dokonce nad jejich původní pevnost.
Technologický zázrak jménem ATSP
V leteckém průmyslu čelí materiály extrémnímu namáhání a vysokým teplotám, a pokud některý z těchto faktorů poškodí jakoukoli část letadla, bude možné provést samoopravu.
„Díky výměnám vazeb, které v materiálu probíhají, by tak bylo možné třeba i obnovit deformace automobilu po srážce, a především výrazně zlepšit bezpečnost vozidla ochranou cestujících,“ řekl Dr. Mohammad Naraghi z Texas A&M University.
Tento průlomový výzkum, který byl financovaný americkým ministerstvem obrany, vědci publikovali v časopise Journal of Composite Materials. Vyvinutý materiál však není jen ultraodolný, je také adaptivní a otevírá nové možnosti v odvětvích, kde jsou kritické výkon a spolehlivost. Je rovněž udržitelnější alternativou k tradičním plastům a jeho recyklovatelnost z něj činí ideální řešení pro průmyslová odvětví vyžadující odolnost nebo pevnost, která se snaží snížit množství environmentálního odpadu.
„ATSP jsou nově vznikající třídou vitrimerů, které kombinují nejlepší vlastnosti tradičních plastů. Nabízejí flexibilitu termoplastů s chemickou a strukturální stabilitou termosetů. V kombinaci se silnými uhlíkovými vlákny lze získat materiál, který je několikanásobně pevnější než ocel, ale zároveň lehčí než hliník. Tyto vitrimery, když jsou vyztuženy nespojitými vlákny, mohou podléhat cyklování na více úrovních – lze je snadno rozdrtit a formovat do nového tvaru, a to se může dít po mnoho, mnoho cyklů a chemie materiálu se v podstatě nedegraduje,“ vysvětluje Dr. Mohammad Naraghi.
To zásadní, co odlišuje ATSP od tradičních plastů, je však jeho schopnost samoopravy a obnovy tvaru. Jedná se o dva aspekty stejného mechanismu. Obnova tvaru se vztahuje k výměně vazeb v souvislém kusu materiálu – jakési vestavěné inteligenci, a při samoopravě dochází v materiálu k diskontinuitě.
Ke studiu vlastností ATSP vědci použili zátěžový test nazvaný cyklické creepové testování, kdy na vzorky aplikovali opakované cykly tahového zatížení a sledovali změny v materiálu, jak akumuloval, ukládal a uvolňoval energii deformace. Pomocí cyklického zatížení pak v materiálu identifikovali dvě kritické teploty. První je teplota skelného přechodu, při které se polymerní řetězce mohou snadno pohybovat, a druhou je teplota vitrifikace, při které jsou tyto vazby tepelně aktivovány natolik, že je možné pozorovat masivní výměny vazeb, které způsobují hojení, přetváření a obnovu.
Prasknout, zahojit, opakovat
Tým provedl zátěžové únavové testy v hlubokých cyklech ohybu, kdy byl materiál periodicky zahříván na 160 °C, aby se spustil proces samozotavování. Výsledky ukázaly, že vzorky ATSP nejenže vydržely stovky cyklů namáhání a zahřívání bez selhání, ale že během procesu hojení ve skutečnosti nabývaly na odolnosti.
„Podobně, jako se kůže může natahovat, hojit a vracet se do původního tvaru, materiál se deformoval, hojil a ‚pamatoval si‘ svůj původní tvar, čímž se stal odolnějším, než jak byl původně vyroben,“ uvedl Dr. Naraghi.
Následně vědci podrobili tepelně odolný ATSP pěti vyčerpávajícím zátěžovým cyklům, z nichž každý zahrnoval vystavení teplotě až 280 °C s cílem posouzení vlastností materiálu a jeho samoléčebných vlastností.
Rentgenové snímky ATSP během pěti různých cyklů zotavení z poškození v prvním cyklu ukázaly, že se materiál plně zotavil a obnovil svůj tvar a pevnost. Po dvou cyklech úplného zotavení z poškození se vrátil do téměř plné pevnosti. V pátém cyklu se začala objevovat mechanická únava v důsledku výrobních vad, kvůli níž klesla účinnost zotavení na přibližně 80 %, nicméně trvanlivost a chemická stabilita a samoopravné vlastnosti materiálu nebyly ovlivněny a zůstaly spolehlivé po celou dobu všech pěti cyklů.
„Pomocí zobrazování s vysokým rozlišením jsme pozorovali, že kompozit po poškození a zahojení byl podobný původnímu, i když opakované poškození způsobilo určité lokální mechanické opotřebení. Zjistili jsme také, že nedošlo k žádné tepelné degradaci ani rozpadu materiálu, což dokazuje jeho trvanlivost i po poškození a zahojení,“ uvedl Dr. Naraghi.
Zaid Elayyan
Foto: Texas A&M University
13
