Een team van ingenieurs van de North Carolina State University en de Universiteit van Houston heeft onlangs aangekondigd dat ze een nieuw vezelversterkt composietmateriaal hebben ontwikkeld dat zichzelf meer dan 1.000 keer kan herstellen na structurele schade. Tegelijkertijd is de initiële sterkte aanzienlijk hoger dan die van traditionele composietmaterialen die momenteel worden gebruikt voor het maken van belangrijke componenten zoals vliegtuigvleugels en windturbinebladen. Het is door onderzoekers beschreven als een "game changer" in een verscheidenheid aan belangrijke toepassingen. Het onderzoeksteam is van mening dat dit materiaal naar verwachting de levensduur van belangrijke apparatuur zoals auto's, vliegtuigen, ruimtevaartuigen en windturbines aanzienlijk zal verlengen.
Deze doorbraak richt zich op een veelvoorkomend probleem van "delaminatiefalen" bij composietmaterialen: tijdens gebruik zal de gelaagde structuur in het vezelversterkte polymeer (FRP) na verloop van tijd geleidelijk uiteenvallen, wat kan leiden tot scheuren of zelfs breuken. Het nieuwe materiaal lijkt qua uiterlijk op traditioneel FRP, maar is robuuster qua constructief ontwerp en kan delaminatie, scheurvoortplanting en algemene structurele schade effectiever tegengaan.
Volgens rapporten gebruikten de onderzoekers driedimensionale printtechnologie om een tussenlaag van thermoplastisch 'zelfherstellend middel' met een specifiek patroon tussen de lagen van het composietmateriaal in te bedden, waardoor aanzienlijk verbeterde anti-delamineringsmogelijkheden werden bereikt. Deze tussenlaag is gemaakt van poly(ethyleen-co-methacrylzuur) (EMAA), wat de weerstand van het materiaal tegen delaminatieschade ongeveer 2 tot 4 keer verhoogt in vergelijking met gewone FRP, waardoor de vorming van scheuren en structurele schade aanzienlijk wordt verminderd.
Naast de zelfherstellende middenlaag is er ook een op koolstof gebaseerde verwarmingslaag in het materiaal geïntegreerd. Dit ontwerp wordt beschouwd als een andere belangrijke innovatie. Wanneer een externe stroom wordt toegepast, zullen deze verwarmingslagen opwarmen en de middelste laag van EMAA smelten, waardoor deze in kleine scheurtjes vloeit, het beschadigde grensvlak opnieuw vult en "last", en het zogenaamde "thermische herstel" -proces voltooit. Het mechanisme vindt zijn oorsprong in de herverstrengeling en reconstructie van de polymeerketens.
Om het zelfherstellende vermogen van dit nieuwe materiaal te verifiëren, simuleerden de onderzoekers de werkelijke gebruiksomgeving door trekbelastingen toe te passen en kunstmatig gecreëerde delaminatiedefecten van ongeveer vijf centimeter lang in de monsters. Vervolgens activeerde het team het zelfherstelproces meerdere keren en voerde herhaaldelijk deze laad-schade-reparatietest uit gedurende maximaal 40 dagen, voor een totaal van 1.000 cycli om het behoud van de structurele integriteit van het materiaal te evalueren onder herhaalde schade- en reparatieomstandigheden.
Experimentele resultaten tonen aan dat het materiaal na meerdere zelfherstellende cycli nog steeds effectief interne schade kan herstellen en een hoge taaiheid kan behouden zonder duidelijke structurele achteruitgang. Op basis hiervan oordeelde het onderzoeksteam dat als dit materiaal op grote schaal wordt toegepast in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, hernieuwbare energie en auto's, de levensduur van belangrijke componenten naar verwachting zal worden verlengd van de huidige typische decennia tot honderden jaren.
Jack Turicek, de eerste auteur van het artikel, zei dat dit nieuwe materiaal, vergeleken met traditionele composietmaterialen, vanaf het begin sterker is en beter bestand is tegen structurele schade gedurende ten minste 500 schadeherstelcycli. Hoewel de taaiheid van het materiaal geleidelijk zal afnemen naarmate het aantal reparaties toeneemt, verloopt dit vervalproces zeer langzaam, waardoor de levensduur van de relevante onderdelen theoretisch kan worden verlengd tot ongeveer 500 jaar, terwijl de typische levensduur van traditionele FRP-composietmaterialen meestal slechts 15 tot 40 jaar bedraagt.
De onderzoekers wezen erop dat als dit materiaal kan worden gebruikt in technische toepassingen, het de bedrijfs- en onderhoudskosten zal helpen verlagen door de levensduur van belangrijke componenten te verlengen en de vervangingsfrequentie te verminderen. Het zal ook het energieverbruik en de uitstoot van industrieel vast afval verminderen door de productie- en vervangingsbehoeften te verminderen, wat een positieve betekenis zal hebben voor het beheer van industrieel afval en de bescherming van het milieu. Ze benadrukten echter ook dat de huidige tests nog steeds voornamelijk in laboratoriumomgevingen worden uitgevoerd, en dat materialen langdurige tests onder reële werkomstandigheden moeten ondergaan voordat ze echt als volwassen en betrouwbare technische oplossingen kunnen worden beschouwd.