محققان کامپوزیتی اختراع کردند که دوام خودروها را به چند قرن میرساند
تصور کنید بخواهید ماشینهایی طراحی کنید که بدون توجه به نحوه استفاده یا محل مأموریتشان، برای همیشه دوام بیاورند.
بهجای آنکه این ماشینها به جریان دائمی قطعات یدکی نیاز داشته باشند (چیزی که برای کاوشگرهای فضایی یا فرودگرهای سیارات فراخورشیدی عملاً غیرممکن است)، بتوانند «بدنه» فوقمقاوم خود را بیش از هزار بار ترمیم کنند. بیش از حد خوب به نظر میرسد؟
برای پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی (NCU) اینطور نیست، زیرا آنها یک کامپوزیت پلیمری تقویتشده با الیاف (FRP) ساختهاند که میتواند چنین ماشینهایی را به واقعیت تبدیل کند. در مقالهای که در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences با عنوان «خودترمیمی در بلندمدت: خودکارسازی درجا، بازیابی ترک در مقیاس قرن را در کامپوزیتهای سازهای ممکن میسازد» منتشر شده، جک توریچک و زک فیلیپس (دانشجویان دکتری) به همراه دکتر کالیانا ناکشاترالا (استاد مهندسی عمران و محیطزیست در دانشگاه هیوستون) توضیح میدهند که فناوری خودترمیمی این ماده چگونه کار میکند.
وقتی درون کامپوزیتها ترکهایی ایجاد میشود که لایههای الیاف را از ماتریس جدا میکند، ماده جدید NCU این لایهلایهشدگی (دلامینیشن بینلایهای) را با استفاده از مادهای که بهصورت الکتریکی ذوب میشود ترمیم میکند؛ این ماده در شکافها نفوذ کرده و لایههای جداشده را دوباره به هم میچسباند.
این خبر بسیار خوبی برای همه افراد و صنایع وابسته به خودروها، هواپیماها، توربینهای بادی و طیف گستردهای از سازههایی است که از کامپوزیتهای FRP استفاده میکنند؛ موادی که از لایههای شیشه، کربن یا سایر الیاف درون یک ماتریس پلیمری ساخته میشوند. اگرچه همه FRPها با وجود وزن نسبتاً کم، بسیار مقاوماند، کامپوزیتهای خودترمیمشونده NCU حتی از FRPهای معمولی هم مقاومترند و در مقایسه با عمر چند دههای کامپوزیتهای استاندارد (چالشی که از دهه ۱۹۳۰ مطرح بوده)، عملاً جاودانه به نظر میرسند.
البته «عملاً جاودانه» به معنای دوام ابدی نیست، اما این کامپوزیتهای جدید میتوانند قرنها دوام بیاورند و نسلهای متعددی از طراحان و کاربران خود را پشت سر بگذارند. چنین طول عمری مزایای زیستمحیطی بزرگی نیز دارد، زیرا نیاز به استخراج، فرآوری و تولید مواد را کاهش میدهد و در نتیجه صرفهجویی اقتصادی چشمگیری ایجاد میکند.
به گفته جیسون پاتریک، نویسنده مسئول مقاله و دانشیار مهندسی عمران، ساختوساز و محیطزیست در NCU، این نوآوری «هزینهها و نیروی کار مرتبط با جایگزینی قطعات آسیبدیده کامپوزیتی را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد و مصرف انرژی و میزان پسماند بسیاری از صنایع را کم میکند، زیرا قطعات شکسته کمتری برای بازرسی، تعمیر یا دور ریختن وجود خواهد داشت.» او با ثبت اختراع خود و از طریق شرکت Structeryx Inc. در حال واگذاری مجوز این فناوری است.
اما چه چیزی باعث میشود کامپوزیتهای FRP شرکت Structeryx عملکردی فراتر از کامپوزیتهای استاندارد داشته باشند؟ یکی از عوامل، وجود یک ماده ترموپلاستیک ترمیمکننده است که بهصورت چاپ سهبعدی بهعنوان لایه میانی پلیمری روی تقویتکننده الیافی قرار میگیرد. این لایه میانی مقاومت در برابر دلامینیشن را دو تا چهار برابر افزایش میدهد.
نوآوری دوم، افزودن لایههایی مبتنی بر کربن است که هنگام عبور جریان الکتریکی گرم میشوند. این گرما باعث میشود بخشی از ماده ترموپلاستیک ذوب شده و به درون شکافهای بزرگ و کوچک نفوذ کند و سطوح جداشده را دوباره به هم بچسباند. تصور کنید زره مرد آهنی با لایهای از فلز خودذوبشونده که در ترکها «جاری» میشود و آنها را ترمیم میکند، یا فلز زیستی سایْلونها در مجموعه Battlestar Galactica که نواحی آسیبدیده را تقویت میکرد.
این کامپوزیت Structeryx در دنیای واقعی چقدر دوام خواهد داشت؟ تاکنون آزمایشها نشان میدهد مدت بسیار، بسیار طولانی. اگر این ماده هر فصل یکبار نیاز به ترمیم داشته باشد، میتواند ۱۲۵ سال دوام بیاورد؛ اما اگر تنها سالی یکبار بازسازی شود، ممکن است تا ۵۰۰ سال ماندگار باشد. آزمایشهای خودکار که شامل ایجاد دلامینیشنهای ۵ سانتیمتری و سپس خودترمیمی در هزار چرخه طی ۴۰ روز بود، عملکردی یک مرتبه بزرگی بهتر از رکورد قبلی تیم نشان داد.
توریچک میگوید: «از آنجا که کامپوزیت ما در ابتدا بهطور قابلتوجهی مقاومتر از کامپوزیتهای معمولی است، این ماده خودترمیمشونده دستکم تا ۵۰۰ چرخه بهتر از کامپوزیتهای لایهای موجود در برابر ترک مقاومت میکند. و هرچند چقرمگی بینلایهای آن پس از ترمیمهای مکرر کاهش مییابد، این کاهش بسیار آهسته رخ میدهد.»
چنین عملکردی مزایای عظیمی برای توربینهای بادی، هواپیماها و بهویژه فضاپیماها، ایستگاههای فضایی و کاوشگرهای بینسیارهای که از هر تعمیرگاهی دور هستند، به همراه خواهد داشت.
