Вуглеволокно навчили заживляти тріщини: новий метаматеріал витримав 1000 циклів відновлення і зможе служити століттями

Сотні років, що минають, космічний корабель залишається мрією фантастів. Сучасні технології не дозволяють створювати «вічні» матеріали з можливістю самостійно відновлювати цілісність структури. Вчені лише починають досліджувати цю тему. Наприклад, дослідники з Університету штату Північна Кароліна на основі вуглецевого волокна створили метаматеріал, який самостійно «заліковує» тріщини та розшарування — основну проблему таких матеріалів.

Джерело зображення: ШІ-генерація Grok 4/3DNews

Вуглецеві композити почали використовуватися при виробництві машин і механізмів близько ста років тому. Розшарування матеріалу в процесі експлуатації (старіння) стало головною проблемою, яка вимагала ремонту та заміни пошкоджених частин. Волокна всередині матеріалу відокремлювалися від епоксидної матриці, що призводило до тріщин і руйнування деталей. Самовідновлення подібних пошкоджень значно продовжило б термін служби вуглецевих конструкцій і знизило витрати на ремонт і обслуговування.

Механізм самовідновлення базується на термопластичному агенті (поли(етилен-ко-метакрилова кислота), EMAA), який друкується 3D-принтером тонким шаром на армуючі волокна, утворюючи своєрідну вставку, що підвищує опір розшаруванню в 2–4 рази. У композит також впроваджують тонкі вуглецеві шари, які працюють як нагрівальний елемент у всьому обсязі матеріалу.

При появі тріщин через вуглецеві шари пропускають електричний струм — це призводить до локального розігріву матеріалу. Термопластик плавиться при температурі 150–200 °C, затікає в мікротріщини та розшарування, а після охолодження відновлює цілісність завдяки переплетенню полімерних ланцюгів. Процес повністю автоматизований і відбувається на місці без зовнішнього втручання.

Синім позначено 3D-друкований заживляючий пластик, на правому зображенні видно вуглецеві нагрівачі. Джерело зображення: NC State University

В автоматизованих тестах матеріал протягом 40 днів витримав понад 1000 циклів «пошкодження — нагрів — відновлення». Міцність матеріалу поступово знижувалася з базового рівня 175 % до 60 %, але навіть після сотень циклів залишалася вищою, ніж у стандартних вуглецевих матеріалів.

Запропонована технологія може радикально змінити термін служби конструкцій з композитів — від десятиліть до століть. При активації самовідновлення раз на квартал деталь прослужить понад 125 років, а якщо проводити процедуру рідше — раз на рік, то близько 500 років. Це особливо важливо для авіації, вітроенергетики, автомобілебудування, космічних апаратів та інших галузей, де заміна пошкоджених компонентів обходиться дорого і створює відходи (які також потрібно переробляти). Більше того, в ряді випадків, наприклад, у дальньому космосі, ремонт неможливий в принципі.

Технологія запатентована (US Patent 11,613,088B2) і доступна для ліцензування через стартап Structeryx. Не виключено, що це наблизить появу в побуті «вічного» пластику.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки