دانشمندان در ایالات متحده یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی طراحی کردهاند که نه تنها مانند پوست خود را ترمیم میکند، بلکه شکل اولیه خود را در اثر گرما بازیابی میکند. این پلاستیکها از نظر استحکام از فولاد نیز بهتر عمل میکنند.
این ماده قابل بازیافت جدید، یک کامپوزیت پلاستیکی فیبر کربنی پیشرفته به نام کوپلیاستر ترموست آروماتیک (ATSP)، توسط محققان دانشگاه تگزاس A&M و دانشگاه تولسا توسعه داده شده است.
این تحقیق که توسط وزارت دفاع ایالات متحده و به رهبری دکتر محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا در تگزاس A&M، تأمین مالی شده است، راه را برای کاربردهای متحولکننده در صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی هموار میکند.
نراقی گفت: “آنچه واقعاً هیجانانگیز است این است که این ماده نه تنها فوقالعاده بادوام است، بلکه تطبیقپذیر نیز هست. از ترمیم فوری در هواپیماهای آسیبدیده گرفته تا افزایش ایمنی مسافران در وسایل نقلیه، این خواص آن را برای مواد آینده و نوآوریهای طراحی فوقالعاده ارزشمند میکند.”
یک راهکار خود ترمیم شونده
شیمی تبادل پیوند منحصر به فرد ATSP به اجزا این امکان را میدهد که ترکها و تغییر شکلها را تنها با اعمال گرما ترمیم کنند و در نتیجه آنها را به استحکام تقریباً اولیه بازگردانند یا حتی بهبود بخشند.
به گفته نراقی، تنش شدید و دمای بالا میتواند منجر به آسیبهای خطرناک مواد در کاربردهای هوافضا شود. هنگامی که این آسیب به بخش مهمی از هواپیما آسیب میرساند، خدمه میتوانند از خود ترمیمی بر اساس تقاضا برای بازیابی عملکرد آن استفاده کنند.
این فناوری همچنین نویدبخش بهبود طراحی ایمنی در خودروها است. طبق گزارشها، این فناوری میتواند شکل خودرو را پس از تصادف بازیابی کند و مهمتر از آن، با محافظت از مسافران، ایمنی را تا حد زیادی بهبود بخشد. این ماده قابل بازیافت است و جایگزین پایدارتری برای پلاستیکهای سنتی است. شیمی آن در طول چرخههای تغییر شکل چندگانه پایدار میماند و آن را به کاندیدای قوی برای کاهش ضایعات بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان تبدیل میکند.
نراقی توضیح داد: “ATSPها دستهای نوظهور از ویتریمرها هستند که بهترین ویژگیهای پلاستیکهای سنتی را ترکیب میکنند.” و افزود که آنها انعطافپذیری ترموپلاستیک را با پایداری ترموست ترکیب میکنند. “بنابراین، وقتی با الیاف کربن قوی ترکیب میشود، مادهای به دست میآید که چندین برابر قویتر از فولاد و در عین حال سبکتر از آلومینیوم است.”
ویتریمرها، دستهای از پلاستیکها، وقتی با الیاف ناپیوسته تقویت میشوند، میتوانند بارها تغییر شکل داده، خرد شوند و بدون تخریب ساختار شیمیایی خود، به اشکال جدید قالبگیری شوند.
آزمایش آب
برای بررسی قابلیتهای خودترمیمی و تغییر شکل ATSP، محققان خزش چرخهای را با کشش و رهاسازی مکرر ماده و در عین حال اندازهگیری نحوه ذخیره و آزادسازی انرژی کرنشی آن آزمایش کردند.
با استفاده از بارگذاری چرخهای، آنها دو دمای بحرانی را شناسایی کردند، اولین دما دمای انتقال شیشهای است که در آن زنجیرههای پلیمری آزادانه حرکت میکنند. دومین دما دمای شیشهای شدن است که در آن پیوندها به اندازه کافی فعال میشوند تا امکان ترمیم، تغییر شکل و بازیابی را فراهم کنند.
در طول یک آزمایش، آنها کامپوزیت را تا حدود ۳۲۰ درجه فارنهایت (۱۶۰ درجه سانتیگراد) گرم کردند تا بازیابی شکل را آغاز کنند. نتایج نشان داد که نمونههای ATSP صدها چرخه تنش و گرمایش را بدون شکست تحمل کردند و در طول ترمیم بادوامتر شدند. در آزمایش دیگری، آنها نمونههای آسیبدیده را پس از آزمایش فشار در معرض دمای ۵۳۶ درجه فارنهایت (۲۸۰ درجه سانتیگراد) قرار دادند. پس از دو چرخه کامل ترمیم آسیب، ماده تقریباً به استحکام کامل خود بازگشت. در چرخه پنجم، به دلیل خستگی مکانیکی ناشی از نقصهای تولیدی، راندمان ترمیم به حدود ۸۰ درصد کاهش یافت. با این حال، پایداری شیمیایی دست نخورده باقی ماند.
این استاد دانشگاه در یک بیانیه مطبوعاتی 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 از زمانی که ساخته شده بود، بادوامتر شد.”
نراقی معتقد است که این پیشرفت چیزی بیش از یک کلاس جدید از مواد است و طرحی را برای چگونگی ایجاد پلاستیکهایی که تکامل یافته و سازگار میشوند، توسط علم و مشارکتهای استراتژیک ارائه میدهد. او در پایان گفت: “از طریق آزمون و خطا، همکاریها و مشارکتها است که ما کنجکاوی هیجانانگیز را به کاربردهای تأثیرگذار تبدیل میکنیم.”
دیدگاهتان را بنویسید