Newswise — Ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали метод, который демонстрирует, как армированные волокном полимерные композиционные материалы, используемые в автомобильной, аэрокосмической и возобновляемой энергетике, могут стать более прочными и жесткими, чтобы с течением времени лучше противостоять механическим или структурным нагрузкам. .

У композитов уже есть много хорошего. Они прочные и легкие по сравнению со своими металлическими аналогами. Они также устойчивы к коррозии и усталости и могут быть адаптированы к конкретным требованиям промышленной производительности. Однако они уязвимы к повреждению от деформации, поскольку для их изготовления объединяются два разных материала — жесткие волокна и мягкая матрица или связующее вещество. Межфазный контакт между двумя материалами необходимо улучшить из-за его влияния на общие механические свойства композитов.

Сумит Гупта из ORNL рассказал, что исследовательская группа поместила термопластичные нановолокна, похожие на паутину, для химического создания поддерживающей сети, которая укрепляет межфазный переход. Их технология отличается от традиционных методов покрытия поверхности волокон полимерами или создания жесткого каркаса для улучшения связи между волокном и матрицей, которые оказались неэффективными и дорогими.

Гупта сказал, что он и его команда тщательно отобрали нановолокна и матричный материал для создания каркасов или мостов с большой площадью поверхности в качестве пути передачи нагрузки, механизма, посредством которого напряжение передается между армирующими волокнами и окружающим матричным материалом.

«Наш процесс позволяет материалу выдерживать большие нагрузки. Используя этот простой, масштабируемый и недорогой подход, мы можем увеличить прочность композитов почти на 60%, а их ударную вязкость — на 100%», — сказал он.

Композиты, изготовленные с помощью таких достижений, могут улучшить бесчисленное количество вещей, применяемых в нашей повседневной жизни, от транспортных средств до самолетов.

«Как только мы узнали фундаментальную науку и химию, лежащие в основе того, что мы разработали, мы стали уверены, что обладаем ценной прикладной технологией», — сказал Кристофер Боуленд из ORNL. «Внедрение новых технологий и понимание фундаментальной науки — это один из аспектов нашей работы. Тем не менее, еще одним аспектом прикладных исследований является изучение того, как эту технологию можно применить в реальных приложениях на благо общества. В сотрудничестве с командой ORNL по передаче технологий на это исследование был подан патент, позволяющий потенциально передать технологию коммерческим партнерам».

Боуленд сказал, что будущие исследования будут посвящены различным системам волокон и матриц, которые имеют совместимые химические группы, и исследователи планируют провести дополнительные исследования самих нановолокон, чтобы увеличить их прочность.

Статья с подробным описанием исследования под руководством ORNL «Повышение прочности композитных материалов посредством иерархического формирования» опубликована в журнале Передовая наука и размещен на внутренней обложке журнала.

Это исследование является частью недавно созданной основной программы композитов 2.0 в рамках программы технологии материалов в отделе транспортных технологий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (VTO-EERE). Программа, возглавляемая ORNL совместно с участвующими лабораториями Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией и Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, направлена ​​на повышение эффективности транспортных средств за счет разработки передовых материалов.

«Одним из путей достижения цели программы является замена более тяжелых стальных компонентов композитами из углеродного волокна, которые в настоящее время предлагают лучший потенциал снижения веса», — сказал Амит Наскар, руководитель группы углерода и композитов ORNL. «Разработка более прочных и жестких промежуточных фаз в высокоэффективных армированных волокном композитах может снизить объемную долю волокон с улучшенным снижением массы и последующей экономической эффективностью композитных структур».

Исследовательская группа использовала ресурсы пользовательского центра вычислений и обработки данных в ORNL для вычислительных исследований, чтобы понять фундаментальные силы связи. Команда также использовала атомно-силовую микроскопию в Центре наук о нанофазных материалах (CNMS), чтобы охарактеризовать жесткость или жесткость спроектированной межфазной фазы. CNMS — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США в ORNL.

UT-Battelle управляет ORNL для Научного управления Министерства энергетики. Управление науки, являющееся крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах, работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт Energy.gov/science.