به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان مهندسی هوافضا و علوم مواد در دانشگاه تگزاس A&M خواص جدیدی از یک پلاستیک هوشمند، قابل بازیافت و فوق‌العاده بادوام را کشف کرده‌اند که راه را برای کاربرد‌های متحول‌کننده در صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی هموار می‌کند.

این تحقیق که در Macromolecules و Journal of Composite Materials منتشر شده است، توسط محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا در دانشگاه تگزاس A&M، با همکاری نزدیک دکتر آندریاس پلیکارپو در دانشگاه تولسا رهبری شده است.

کار آنها بررسی یکپارچگی مکانیکی، بازیابی شکل و خواص خودترمیمی یک کامپوزیت پلاستیکی پیشرفته از جنس فیبر کربن به نام کوپلی‌استر ترموست آروماتیک (ATSP) بود.

درمان آسیب در صورت نیاز

ATSP مرز‌های جدیدی را در صنایعی که عملکرد و قابلیت اطمینان حیاتی هستند و شکست گزینه‌ای نیست، می‌گشاید.

نراقی گفت: «در کاربرد‌های هوافضا، مواد با تنش شدید و دمای بالا مواجه هستند. اگر هر یک از این عناصر به هر بخشی از هواپیما آسیب برساند و یکی از کاربرد‌های اصلی آن را مختل کند، می‌توانید خودترمیمی را بر اساس تقاضا انجام دهید.»

با بلوغ و گسترش ATSP، این طرح پتانسیل ایجاد تحول در صنایع تجاری و مصرفی، به ویژه بخش خودرو را دارد.

نراقی گفت: «به دلیل تبادلات پیوندی که در این ماده رخ می‌دهد، می‌توانید تغییر شکل‌های خودرو را پس از تصادف بازیابی کنید و از همه مهم‌تر، با محافظت از سرنشین، ایمنی خودرو را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید.»

ATSP همچنین جایگزین پایدارتری برای پلاستیک‌های سنتی است. قابلیت بازیافت آن، این ماده را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایعی تبدیل می‌کند که با هدف کاهش ضایعات زیست‌محیطی بدون به خطر انداختن دوام یا استحکام، به دنبال آن هستند.

او گفت: «این ویتریمرها، وقتی با الیاف ناپیوسته تقویت می‌شوند، می‌توانند چرخه‌های یکنواختی را طی کنند - شما می‌توانید به راحتی آن را خرد کرده و به شکل جدیدی قالب‌گیری کنید، و این می‌تواند در چرخه‌های بسیار زیادی اتفاق بیفتد، و شیمی ماده اساساً تخریب نمی‌شود.»

کشف قابلیت‌های ATSP

نراقی گفت: «ATSP‌ها دسته‌ای نوظهور از ویتریمر‌ها هستند که بهترین ویژگی‌های پلاستیک‌های سنتی را با هم ترکیب می‌کنند. آنها انعطاف‌پذیری ترموپلاستیک‌ها را با پایداری شیمیایی و ساختاری ترموست‌ها ارائه می‌دهند. بنابراین، وقتی با الیاف کربن قوی ترکیب می‌شوند، ماده‌ای به دست می‌آید که چندین برابر قوی‌تر از فولاد و در عین حال سبک‌تر از آلومینیوم است.»

آنچه ATSP را از پلاستیک‌های سنتی متمایز می‌کند، قابلیت‌های خودترمیمی و بازیابی شکل آن است.

نراقی توضیح داد: «بازیابی شکل و خودترمیمی دو جنبه از یک مکانیسم هستند. منظور از بازیابی شکل، تبادل پیوند در یک قطعه پیوسته از ماده است - نوعی «هوش» درونی؛ و در خودترمیمی، ناپیوستگی‌هایی مانند یک ترک در ماده وجود دارد. اینها خواصی هستند که ما بررسی کردیم.»

برای بررسی خواص آن، محققان از یک آزمایش تنش جدید به نام آزمایش خزش چرخه‌ای استفاده کردند.

نراقی گفت: «ما چرخه‌های مکرر بار‌های کششی (کششی) را به نمونه‌های خود اعمال کردیم و تغییرات در نحوه‌ی انباشت، ذخیره و آزادسازی انرژی کرنشی در مواد را زیر نظر گرفتیم.»

محققان با استفاده از بارگذاری چرخه‌ای، دو دمای بحرانی را در داخل ماده شناسایی کردند.

او گفت: «اولی دمای انتقال شیشه‌ای یا دمایی است که در آن زنجیره‌های پلیمری می‌توانند به راحتی حرکت کنند و دومی دمای انجماد است. این دمایی است که در آن این پیوند‌ها از نظر حرارتی به اندازه کافی فعال می‌شوند که می‌توانید تبادلات پیوندی عظیمی را مشاهده کنید که باعث ترمیم، تغییر شکل و بازیابی می‌شود.»

سپس این تیم آزمایش‌های خستگی خمشی چرخه عمیق را انجام داد و به طور دوره‌ای ماده را تا حدود ۱۶۰ درجه سانتیگراد گرم کرد تا خودترمیمی را تحریک کند.

نتایج آنها نشان داد که نمونه‌های ATSP نه تنها صد‌ها چرخه تنش و گرمایش را بدون شکست تحمل کردند، بلکه در طول فرآیند ترمیم، دوام بیشتری نیز پیدا کردند.

نراقی گفت: «همانطور که پوست می‌تواند کش بیاید، التیام یابد و به شکل اولیه خود بازگردد، این ماده تغییر شکل داد، التیام یافت و شکل اولیه خود را «به خاطر» آورد و نسبت به زمانی که در ابتدا ساخته شده بود، بادوام‌تر شد.»

ترک خوردن، التیام یافتن، تکرار کردن

نراقی و تیمش ATSP مقاوم در برابر حرارت را تحت پنج چرخه تنش طاقت‌فرسا قرار دادند که پس از هر چرخه، دمای بالایی در حدود ۲۸۰ درجه سانتیگراد قرار گرفت. هدف؟ ارزیابی عملکرد و خواص خودترمیمی مواد.

پس از دو چرخه کامل ترمیم آسیب، ماده تقریباً به استحکام کامل خود بازگشت. در چرخه پنجم، به دلیل خستگی مکانیکی، راندمان ترمیم به حدود ۸۰٪ کاهش یافت.

نراقی گفت: «با استفاده از تصویربرداری با وضوح بالا، مشاهده کردیم که کامپوزیت پس از آسیب و ترمیم مشابه طرح اولیه است، اگرچه آسیب‌های مکرر باعث ایجاد برخی سایش‌های مکانیکی موضعی ناشی از نقص‌های تولیدی شد.»

با این حال، پایداری شیمیایی و رفتار‌های خودترمیمی این ماده در هر پنج چرخه قابل اعتماد باقی ماند.

نراقی گفت: «ما همچنین مشاهده کردیم که هیچ تخریب یا از هم گسیختگی حرارتی در این ماده وجود ندارد که نشان‌دهنده دوام آن حتی پس از آسیب و ترمیم است.»

نتایج تیم تحقیقاتی چیزی بیش از یک دسته نوظهور از مواد را نشان می‌دهد؛ آنها طرحی هستند که نشان می‌دهند چگونه علم جسورانه و مشارکت‌های استراتژیک می‌توانند آینده‌ای را که در آن پلاستیک‌ها نه تنها دوام می‌آورند، بلکه تکامل یافته و سازگار می‌شوند، از نو تعریف کنند.

نراقی افزود: «دانشجویان و دانشجویان فوق دکترای من کار‌های سنگین را انجام می‌دهند - من نمی‌توانم به اندازه کافی از آنها تشکر کنم. از طریق آزمون و خطا، همکاری‌ها و مشارکت‌ها است که ما کنجکاوی هیجان‌انگیز را به کاربرد‌های تأثیرگذار تبدیل می‌کنیم.»

قالب‌گیری

از دل دریا تا دیوار خانه؛ جلبک دریایی در خدمت مصالح پایدار

از دل دریا تا دیوار خانه؛ جلبک دریایی در خدمت مصالح پایدار

پلاستیک هوشمند فیبر کربنی: خود ترمیم شونده، تغییر شکل دهنده و قوی تر از فولاد

پلاستیک هوشمند فیبر کربنی: خود ترمیم شونده، تغییر شکل دهنده و قوی تر از فولاد