دانشمندان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge وزارت انرژی روشی را توسعه داده‌اند که نشان می‌دهد چگونه کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف مورد استفاده در صنایع خودروسازی، هوافضا و انرژی‌های تجدیدپذیر می‌توانند قوی‌تر و قوی‌تر شوند تا در طول زمان در برابر بارهای مکانیکی یا ساختاری بهتر مقاومت کنند. .
کامپوزیت ها در حال حاضر چیزهای خوبی برای خود دارند. آنها در مقایسه با همتایان فلزی خود قوی و سبک هستند. آنها همچنین در برابر خوردگی و خستگی مقاوم هستند و می توانند برای برآوردن الزامات عملکرد صنعتی خاص طراحی شوند. با این حال، آنها در برابر شکست استرس آسیب پذیر هستند زیرا دو ماده مختلف – الیاف سخت و یک ماتریس نرم یا چسب – برای ساخت آنها ترکیب شده اند. رابط بین دو ماده به دلیل تأثیر آن بر خواص مکانیکی کلی کامپوزیت ها باید بهبود یابد.
سامیت گوپتا از ORNL گفت که تیم تحقیقاتی نانوالیاف ترموپلاستیک مانند تار عنکبوت را برای ایجاد یک شبکه حمایت کننده شیمیایی که اینترفاز را تقویت می کند، رسوب داده است. تکنیک آنها با روش های مرسوم پوشش سطوح الیاف با پلیمرها یا ارائه یک داربست سفت و سخت برای بهبود پیوند فیبر-ماتریس متفاوت است که نشان داده شده است که ناکارآمد و گران هستند.
گوپتا گفت که او و تیم با دقت نانوالیاف و مواد ماتریس را برای ایجاد یک داربست یا پل با سطح بزرگ به عنوان مسیر انتقال بار انتخاب کردند، مکانیزمی که از طریق آن تنش بین الیاف تقویت‌کننده و مواد ماتریس اطراف منتقل می‌شود.
فرآیند ما به مواد اجازه می دهد تا بار بیشتری را تحمل کنند. با استفاده از این رویکرد ساده، مقیاس پذیر و کم هزینه می‌توانیم استحکام کامپوزیت‌ها را تقریباً 60 درصد و استحکام آنها را تا 100 درصد افزایش دهیم.
کامپوزیت های تولید شده با چنین پیشرفت هایی می توانند موارد بی شماری را که در زندگی روزمره ما از وسایل نقلیه گرفته تا هواپیما استفاده می شود، بهبود بخشند.
کریستوفر بولند از ORNL گفت: «هنگامی که علم و شیمی بنیادی پشت آنچه را که توسعه داده بودیم درک کردیم، مطمئن شدیم که یک فناوری کاربردی ارزشمند داریم. «پیشگامان فناوری جدید و درک علوم بنیادی یکی از جنبه‌های کاری است که ما انجام می‌دهیم. با این حال جنبه دیگری از تحقیقات کاربردی این است که کشف کنیم که چگونه فناوری می تواند به برنامه های کاربردی در دنیای واقعی ترجمه شود تا به نفع جامعه باشد. با همکاری تیم انتقال فناوری ORNL، یک پتنت برای این تحقیق ثبت شد تا به طور بالقوه این فناوری را به شرکای تجاری ترجمه کند.
باولند گفت: تحقیقات آینده در مورد سیستم‌های فیبر و ماتریس مختلف است که دارای گروه‌های شیمیایی سازگار هستند و محققان قصد دارند تحقیقات بیشتری روی خود نانوالیاف برای افزایش استحکام آنها انجام دهند.
مقاله جزئیات این تحقیق تحت رهبری ORNL، “بهبود پایداری مرکب از طریق شکل دهی سلسله مراتبی” است. منتشر شده در علم پیشرفته و روی جلد داخلی مجله درج شده است.
این مطالعه بخشی از برنامه تازه تاسیس Core Composites 2.0 برنامه فناوری مواد در دفتر فناوری خودرو دفتر کارایی انرژی و انرژی های تجدیدپذیر DOE یا VTO-EERE است. این برنامه که توسط ORNL به همراه آزمایشگاه‌های شرکت‌کننده، آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، رهبری می‌شود، به دنبال بهبود عملکرد خودرو از طریق توسعه مواد پیشرفته است.
آمیت نسکار، رئیس گروه کربن و کامپوزیت در ORNL گفت: «یکی از راه‌های دستیابی به هدف این برنامه، جایگزینی اجزای فولادی سنگین‌تر با کامپوزیت‌های فیبر کربنی است که در حال حاضر بهترین پتانسیل را برای کاهش وزن ارائه می‌دهند. توسعه فازهای سطحی قوی‌تر و سفت‌تر در کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف با کارایی بالا می‌تواند کسر توده‌ای فیبر را با بهبود کاهش جرم و متعاقب آن مقرون‌به‌صرفه سازه‌های کامپوزیت کاهش دهد.
تیم تحقیقاتی از منابع محاسبات و تسهیلات کاربر علوم داده در ORNL برای مطالعات محاسباتی برای درک نیروهای الزام آور اساسی استفاده کرد. این تیم همچنین از میکروسکوپ نیروی اتمی در مرکز علوم مواد نانوفاز یا CNMS برای توصیف سفتی یا سفتی فاز میانی مهندسی شده استفاده کرد. CNMS یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در ORNL است.
UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE مدیریت می کند. دفتر علوم که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.