Problém starý jako letectví samo
Vlákny vyztužené polymerní kompozity (FRP) jsou základním stavebním kamenem moderního průmyslu. Najdeme je v křídlech letadel, lopatkách větrných turbín, karosériích závodních vozů i v kosmických sondách. Jsou lehké a pevné – jenže mají chronickou slabinu, se kterou si inženýři lámou hlavu od 30. let minulého století.
Jmenuje se delaminace – postupné oddělování vrstev kompozitu od sebe. Vzniká mikroskopickými trhlinami v pojivové matrici, nejčastěji epoxidu, které se šíří a oslabují celou konstrukci. Současné FRP kompozity mají životnost zhruba 15 až 40 let, po níž následují nákladné inspekce, opravy nebo výměna.
Zdroj: Jason Patrick, NC State University.
Jak se materiál sám opraví
Tým pod vedením profesora Jasona Patricka z NC State University přidal do standardního FRP kompozitu dvě hlavní inovace. První je hojivá mezivrstva – pomocí 3D tisku nanesený termoplastický polymer EMAA, který materiál hned od začátku činí dvakrát až čtyřikrát odolnějším vůči delaminaci.
Druhá inovace spočívá v začlenění tenké uhlíkové vrstvy fungující v případě potřeby jako ohřívače. Jakmile je skrze ně puštěn elektrický proud, zahřejí se a roztaví okolní EMAA. Ten pak jako tekutina vyplní trhliny a znovu slepí oddělené vrstvy. Materiál se zahojí sám, jen s použitím hmoty, která v něm od začátku je. Celý opravný cyklus tak připomíná hojení kosti nebo dřeva – i příroda totiž opravuje poškozené struktury pomocí vlastních zdrojů, aniž by potřebovala vnější zásah.
Mohlo by vás zajímat
Tisíc cyklů za 40 dní
Automatizovaný testovací systém opakovaně poškodil vzorek kompozitu a spouštěl hojivý cyklus – celkem tisíckrát za 40 dní. Materiál si zachoval schopnost opravy po všech tisíci cyklech. Odolnost vůči delaminaci zůstávala po prvních 500 cyklech výrazně nad úrovní běžných kompozitů. Statistické modely předpovídají, že hojivá schopnost neklesne pod 40 % výchozí hodnoty prakticky nikdy.
Pokud by se hojení spouštělo čtvrtletně – například při pravidelných leteckých revizích – mohl by materiál vydržet více než 125 let. Při ročním intervalu přes 500 let. To je o řád výše oproti dnešním 15–40 letům.
Pro kosmonautiku jde o ještě zásadnější průlom. Vesmírná sonda je v prostředí, kde fyzická oprava prakticky není možná. Materiál, který se sám na povel opraví, je pro tyto aplikace ideální. Výzkum ostatně podpořily americké ministerstvo obrany a Národní vědecká nadace – zájem o vojenské aplikace je tedy zřejmý.
Mohlo by vás zajímat
Od laboratoře k výrobní lince
Jason Patrick si technologii patentoval a založil startup Structeryx Inc. Materiál byl záměrně navržen jako kompatibilní se stávajícími výrobními procesy – nevyžaduje tedy přestavbu výrobních linek, což je pro komerční uplatnění klíčové.
Přínos pro udržitelnost je přitom stejně velký jako technický průlom. Epoxidové kompozity se prakticky nedají recyklovat a většina opotřebených turbínových lopatek nebo leteckých panelů končí na skládkách. Pokud stejná komponenta vydrží generace místo desetiletí, dopad na průmyslový odpad bude výrazný.
Zdroj: NC State University, ndtv, Futura, Material district, Newsweek
5 foto
