Les composites renforcés de fibres de nouvelle génération peuvent être à détection automatique et émettre des avertissements sur les menaces structurelles. Crédit :Christopher Bowland et Sherry Razo/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les composites en fibre de carbone - légers et résistants - sont d'excellents matériaux structurels pour les automobiles, aéronefs et autres véhicules de transport. Ils sont constitués d'une matrice polymère, comme l'époxy, dans lequel des fibres de carbone de renforcement ont été noyées. En raison des différences dans les propriétés mécaniques de ces deux matériaux, les fibres peuvent se détacher de la matrice sous des contraintes excessives ou en fatigue. Cela signifie que les dommages dans les structures composites en fibre de carbone peuvent rester cachés sous la surface, indétectable par inspection visuelle, pouvant conduire à une défaillance catastrophique.
"Les composites en fibre de carbone échouent catastrophiquement, donc vous ne verrez pas de dommages jusqu'à ce que toute la structure soit défaillante, " a déclaré Chris Bowland, un Wigner Fellow au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. "En sachant ce qui se passe dans le composite, vous pouvez mieux juger de sa santé et savoir s'il y a des dommages qui doivent être réparés."
Récemment, Bowland et Amit Naskar, leader du Groupe Carbone et Composites de l'ORNL, a inventé un procédé de rouleau à rouleau pour enrober des fibres de carbone électriquement conductrices avec des nanoparticules de carbure de silicium semi-conductrices. Ce composite incrusté de nanomatériaux est plus résistant que les autres composites renforcés de fibres et doté d'une nouvelle capacité :la capacité de surveiller sa propre santé structurelle.
Lorsqu'une quantité suffisante de fibres enrobées est incorporée dans un polymère, les fibres créent un réseau électrique et le composite massif devient électriquement conducteur. Les nanoparticules semi-conductrices peuvent perturber cette conductivité électrique en réponse aux forces appliquées, ajouter une fonctionnalité électromécanique au composite.
Si le composite est tendu, la connectivité des fibres enrobées est perturbée et la résistance électrique du matériau change. Si la turbulence d'une tempête fait fléchir une aile d'avion composite, un signal électrique peut avertir l'ordinateur de l'avion que l'aile a subi un stress excessif et inciter à recommander une inspection.
La démonstration roll-to-roll de l'ORNL a prouvé en principe que la méthode pouvait être étendue à la production à grande échelle de fibres enduites pour les composites de nouvelle génération. Composites auto-détecteurs, peut-être fabriqué avec une matrice polymère renouvelable et des fibres de carbone à faible coût, pourraient se retrouver dans des produits omniprésents, y compris même des véhicules et des bâtiments imprimés en 3D.
Bowland a apposé des électrodes des deux côtés du porte-à-faux. Dans un analyseur mécanique dynamique, il a serré une extrémité pour maintenir le faisceau stationnaire. L'analyseur a appliqué une force à l'autre extrémité pour fléchir le cantilever 100 fois. Après toutes les 10 flexions, la tension a été augmentée, et la résistance électrique a été mesurée en fonction de la contrainte pour quantifier la sensibilité de surveillance de la santé structurelle. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Pour fabriquer des fibres incrustées de nanoparticules, les chercheurs ont chargé des bobines de fibre de carbone haute performance sur des rouleaux qui ont plongé la fibre dans de l'époxy chargée de nanoparticules disponibles dans le commerce de la largeur d'un virus (45 à 65 nanomètres). La fibre a ensuite été séchée dans un four pour fixer son revêtement.
Pour tester la force avec laquelle les fibres incrustées de nanoparticules adhèrent à la matrice polymère, les chercheurs ont fabriqué des poutres composites renforcées de fibres avec les fibres alignées dans une direction. Bowland a effectué des tests de résistance dans lesquels les deux extrémités de ce porte-à-faux ont été fixées tandis qu'une machine évaluant les performances mécaniques a poussé le milieu de la poutre jusqu'à ce qu'elle se rompe. Pour étudier les capacités de détection du composite, il a apposé des électrodes des deux côtés du porte-à-faux. Dans une machine appelée "analyseur mécanique dynamique, " il a serré une extrémité pour maintenir le porte-à-faux stationnaire. La machine a appliqué une force à l'autre extrémité pour fléchir le faisceau tandis que Bowland surveillait le changement de résistance électrique. liaisons au sein des composites et améliorer la compréhension de l'amélioration de la résistance mécanique observée.
Les chercheurs ont également testé des composites fabriqués avec différentes quantités de nanoparticules pour leur capacité à dissiper l'énergie, telle que mesurée par le comportement d'amortissement des vibrations, une capacité qui profiterait aux matériaux de structure soumis à des impacts, secoue, et d'autres sources de stress et de tension. A chaque concentration, les nanoparticules ont amélioré la dissipation d'énergie (de 65 à 257%).
Bowland et Naskar ont déposé une demande de brevet pour le procédé de fabrication de composites en fibre de carbone à détection automatique.
« Le revêtement par immersion offre une nouvelle voie pour utiliser de nouveaux nanomatériaux en cours de développement, ", a déclaré Bowland.
Le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de l'ORNL a soutenu la recherche, qui est publié dans Matériaux et interfaces appliqués ACS , un journal de l'American Chemical Society.
Le titre de l'article est « Traitement rouleau à rouleau de la fibre de carbone déposée par des nanoparticules de carbure de silicium pour les composites multifonctionnels ».
