La nuova tecnologia risolve le sfide di lunga data per se stessi

I ricercatori di ingegneria hanno sviluppato un nuovo composito autoriparante che consente alle strutture di ripararsi sul posto, senza dover essere rimosse dal servizio. Quest’ultima tecnologia risolve due sfide di lunga data per i materiali autoriparanti e può prolungare in modo significativo la durata di vita dei componenti strutturali come le pale delle turbine eoliche e le ali degli aerei.

“I ricercatori hanno sviluppato una varietà di materiali autoriparanti, ma le strategie precedenti per i compositi autoriparanti hanno dovuto affrontare due sfide pratiche”, afferma Jason Patrick, autore corrispondente del documento di ricerca e assistente professore di ingegneria civile, edile e ambientale alla North Carolina State University. “In primo luogo, i materiali spesso devono essere rimossi dal servizio per poter guarire. Ad esempio, alcuni richiedono il riscaldamento in un forno, cosa che non è possibile fare per componenti di grandi dimensioni o mentre una determinata parte è in uso. In secondo luogo, l’autoguarigione funziona solo per un periodo limitato. Ad esempio, il materiale potrebbe essere in grado di guarire alcune volte, dopodiché le sue proprietà autoriparanti diminuirebbero in modo significativo. Abbiamo elaborato un approccio che affronta entrambe queste sfide in modo significativo, pur mantenendo la resistenza e le altre caratteristiche prestazionali dei compositi in fibra strutturale”. In termini pratici, ciò significa che gli utenti possono fare affidamento su un determinato componente strutturale, come la pala di una turbina eolica, per un periodo di tempo molto più lungo senza preoccuparsi di eventuali guasti. “Aumentando la longevità di questi compositi, li rendiamo più sostenibili”, afferma Patrick. “E mentre le pale delle turbine eoliche sono un buon esempio, i compositi strutturali si trovano in un’ampia varietà di applicazioni: ali di aerei, satelliti, componenti automobilistici, articoli sportivi, e così via”. Ecco come funziona il nuovo composito rinforzato con fibre autoriparante. I compositi laminati sono costituiti da strati di rinforzo fibroso, ad esempio vetro e fibra di carbonio, legati insieme. Il danno si verifica più spesso quando la “colla” che tiene insieme questi strati inizia a staccarsi dal rinforzo o a delaminarsi. Il gruppo di ricerca ha affrontato questo problema stampando in 3D un modello di agente curativo termoplastico sul materiale di rinforzo. I ricercatori hanno anche incorporato sottili strati “riscaldatori” nel composito. Quando viene applicata una corrente elettrica, gli strati riscaldanti si riscaldano. Questo, a sua volta, scioglie l'agente riparatore, che scorre in eventuali crepe o microfratture all'interno del composito e le ripara. "Abbiamo scoperto che questo processo può essere ripetuto almeno 100 volte mantenendo l'efficacia dell'autoguarigione", afferma Patrick. "Non sappiamo quale sia il limite superiore, se ce n'è uno." Il materiale termoplastico stampato migliora inoltre la resistenza intrinseca alla frattura fino al 500%, il che significa che richiede più energia per provocare la delaminazione. Inoltre, l'agente curativo e gli strati riscaldatori sono tutti realizzati con materiali facilmente reperibili e sono relativamente economici. “Anche se realizzare compositi che incorporano il nostro design sarebbe leggermente più costoso, il costo sarebbe più che compensato estendendo significativamente la durata del materiale”, afferma Patrick. Un altro vantaggio della nuova tecnologia è che, se incorporati nelle ali degli aerei, gli elementi riscaldanti interni permetterebbero alle compagnie aeree di smettere di usare agenti chimici per rimuovere il ghiaccio dalle ali quando gli aerei sono a terra, e anche di sbrinare durante il volo. "Abbiamo dimostrato che questa tecnologia multifunzionale funziona", afferma Patrick. “Siamo ora alla ricerca di partner governativi e industriali che ci aiutino a personalizzare questi compositi a base polimerica per l’uso in applicazioni specifiche”.

L’articolo, “Prolonged in situ Self-healing in Structural Composites via Thermo-Reversible Entanglement”, è pubblicato ad accesso libero sulla rivista Nature Communications. Il primo autore dell'articolo è Alexander Snyder, un Ph.D. studente presso NC State. L'articolo è stato scritto in collaborazione da Zachary Phillips e Jack Turicek, Ph.D. studenti della NC State; Charles Diesendruck del Technion-Israel Institute of Technology; e Kalyana Nakshatrala dell'Università di Houston. Il lavoro è stato svolto con il sostegno dell'Ufficio di ricerca scientifica dell'aeronautica americana, con il numero di sovvenzione FA9550-18-1-0048; e il Programma di ricerca e sviluppo ambientale strategico del Dipartimento della Difesa, con il numero di sovvenzione W912HQ21C0044.