19 Сентября 2017

Шелковый датчик может ускорить разработку новой инфраструктуры, аэрокосмических и потребительских материалов.


Зонд, известный как механофор, может ускорить тестирование продукта и потенциально сократить количество времени и материалов, необходимых для разработки многих видов новых композитов.

Команда NIST создала свой зонд из красителя, известного как родамин-спиролактам (RS), который переходит от темного состояния к светлому состоянию в реакции на приложенную силу. В этом эксперименте молекула была присоединена к шелковым волокнам, содержащимся внутри композита на основе эпоксидной смолы. По мере того как все больше и больше силы применялось к композиту, напряжение активировало RS, вызывая его флуоресцирование при возбуждении лазером. Хотя изменение не было видно невооруженным глазом, красный лазер и микроскоп, построенный и спроектированный NIST, были использованы для съемки фотографий внутри композита, отображая даже самые мелкие разрывы и трещины в его структуре и раскрывая точки, в которых волокна ломаются. Результаты были опубликованы сегодня в журнале Advanced Materials Interfaces.

Материалы, используемые в дизайне композитов, разнообразны. В природе композиты, такие как крабовая раковина или бивень слона (кости), изготовлены из белков и полисахаридов. В этом исследовании эпоксидная композиция сочеталась с шелковыми нитями, полученными группой профессора Фрица Воллрата в Оксфордском университете с использованием червячных червей Bombyx mori. Составы волоконно-армированного полимера, такие как используемые в этом исследовании, объединяют наиболее полезные аспекты основных компонентов - прочность волокна и вязкость полимера. Однако у всех композитов есть общий интерфейс, где встречаются компоненты. Устойчивость этого интерфейса имеет решающее значение для способности композита противостоять повреждениям. Интерфейсы, тонкие, но гибкие, часто предпочитают дизайнеры и производители, но очень сложно измерить межфазные свойства в композите.

«Уже давно существуют способы измерения макроскопических свойств композитов», - сказал исследователь Джеффри Гилман, который возглавлял команду, выполняющую работу в NIST. «Но на протяжении десятилетий задача заключалась в том, чтобы определить, что происходит внутри, на интерфейсе». Один из вариантов - оптическое изображение. Однако обычные методы оптического изображения способны записывать изображения только в масштабах 200-400 нанометров. Некоторые интерфейсы имеют толщину всего от 10 до 100 нанометров, что делает такие методы несколько неэффективными для визуализации интерфазы в композитах. Установив зонд RS на интерфейс, исследователи смогли «увидеть» повреждение исключительно на интерфейсе с помощью оптической микроскопии.

Исследовательская группа NIST планирует расширить свои исследования, чтобы изучить, как такие зонды могут использоваться и в других типах композитов. Они также хотели бы использовать такие датчики для повышения способности этих композитов выдерживать экстремальные холод и тепло. Огромный спрос на композиты, которые могут выдерживать длительное воздействие воды, особенно для использования в создании более устойчивых компонентов инфраструктуры, таких как мосты и гигантские лопасти для ветровых турбин.

Исследовательская группа планирует продолжить поиск большего количества способов, с помощью которых датчики повреждения, например, в этом исследовании, могут быть использованы для улучшения стандартов существующих композитов и создания новых стандартов для композитов будущего, гарантируя, что эти материалы безопасны, прочны и надежны.