새로운 기술로 오랫동안 지속된 과제를 해결하다

공학 연구자들은 구조물을 서비스에서 제거하지 않고도 제자리에서 스스로 수리할 수 있는 새로운 자가 치유 복합재를 개발했습니다. 이 최신 기술은 자가 치유 재료에 대한 두 가지 오랜 과제를 해결하고 풍력 터빈 블레이드 및 항공기 날개와 같은 구조 부품의 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

연구 논문의 교신저자이자 North 대학의 토목, 건축 및 환경 공학 조교수인 Jason Patrick은 "연구원들은 다양한 자가 치유 재료를 개발했지만 자가 치유 복합재에 대한 이전 전략은 두 가지 실질적인 과제에 직면했습니다."라고 말했습니다. 캐롤라이나 주립대학교. “첫째, 치료를 위해 재료를 서비스에서 제거해야 하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 일부는 오븐에서 가열해야 하는데, 대형 부품의 경우나 특정 부품이 사용되는 동안에는 가열할 수 없습니다. 둘째, 자가 치유는 제한된 기간 동안만 작동합니다. 예를 들어, 재료는 몇 차례 치유될 수 있으며 그 이후에는 자체 수리 특성이 크게 감소합니다. 우리는 구조용 섬유 복합재의 강도와 기타 성능 특성을 유지하면서 의미 있는 방식으로 이러한 문제를 모두 해결하는 접근 방식을 생각해 냈습니다.” 실용적인 측면에서 이는 사용자가 고장에 대한 걱정 없이 훨씬 더 오랜 기간 동안 풍력 터빈 블레이드와 같은 특정 구조 구성 요소에 의존할 수 있음을 의미합니다. Patrick은 “이러한 복합재의 수명을 늘려서 지속 가능성을 높였습니다.”라고 말합니다. "그리고 풍력 터빈 블레이드가 좋은 예이지만 구조용 복합재는 항공기 날개, 위성, 자동차 부품, 스포츠 용품 등 다양한 응용 분야에서 발견됩니다." 새로운 자가 치유 섬유 강화 복합재의 작동 방식은 다음과 같습니다. 적층 복합재는 섬유 강화재(예: 유리 및 탄소 섬유) 층을 서로 접착하여 만들어집니다. 이러한 층을 서로 묶는 "접착제"가 보강재에서 벗겨지거나 박리되기 시작할 때 손상이 가장 자주 발생합니다. 연구팀은 보강재에 열가소성 치유제 패턴을 3D 프린팅하여 이 문제를 해결했습니다. 연구원들은 또한 복합재에 얇은 "히터" 층을 삽입했습니다. 전류가 가해지면 히터 층이 예열됩니다. 그러면 치유제가 녹아 복합재 내부의 균열이나 미세 균열에 유입되어 수리됩니다. “우리는 자가 치유 효과를 유지하면서 이 과정을 최소 100회 이상 반복할 수 있다는 사실을 발견했습니다.”라고 Patrick은 말합니다. "상한선이 있다면 우리는 그것이 무엇인지 모릅니다." 인쇄된 열가소성 물질은 또한 파괴에 대한 고유한 저항성을 최대 500%까지 향상시킵니다. 즉, 우선 박리를 유발하는 데 더 많은 에너지가 필요하다는 의미입니다. 또한, 치유제와 히터층은 모두 쉽게 구할 수 있는 재료로 만들어져 상대적으로 가격이 저렴하다. "우리 디자인을 통합한 복합재를 만드는 것은 약간 더 비싸지만 재료의 수명을 크게 연장하면 비용이 상쇄될 것입니다."라고 Patrick은 말합니다. 신기술의 또 다른 장점은 내부 가열 요소를 항공기 날개에 통합하면 항공사가 항공기가 지상에 있을 때 날개에서 얼음을 제거하고 비행 중에 얼음을 제거하기 위해 화학 약품 사용을 중단할 수 있다는 것입니다. “우리는 이 다기능 기술이 효과가 있다는 것을 입증했습니다.”라고 Patrick은 말합니다. "우리는 이제 특정 응용 분야에 사용할 수 있도록 이러한 폴리머 기반 복합재를 맞춤화하는 데 도움을 줄 정부 및 업계 파트너를 찾고 있습니다."

"열 가역적 얽힘을 통한 구조적 복합재의 현장 자가 치유 연장"이라는 논문은 Nature Communications 저널에 오픈 액세스로 게재되었습니다. 논문의 첫 번째 저자는 Ph.D.인 Alexander Snyder입니다. NC 주립대 학생입니다. 이 논문은 Zachary Phillips와 Jack Turicek 박사가 공동 집필했습니다. NC 주립대 학생; Technion-Israel Institute of Technology의 Charles Diesendruck; 휴스턴 대학의 Kalyana Nakshatrala. 이 작업은 승인 번호 FA9550-18-1-0048에 따라 미 공군 과학 연구실의 지원을 받아 수행되었습니다. 보조금 번호 W912HQ21C0044에 따른 국방부의 전략 환경 연구 및 개발 프로그램.