นาโนคาร์บอนเพิ่มความแข็งแรงและความทนทานของคอมโพสิตไฟเบอร์

นักวิทยาศาสตร์จากกรมพลังงานของห้องปฏิบัติการแห่งชาติของกระทรวงพลังงานได้พัฒนาเทคนิคนวัตกรรมใหม่โดยใช้นาโนคาร์บอนเพื่อเพิ่มความผูกพันในคาร์บอนไฟเบอร์และคอมโพสิตพอลิเมอร์อื่น ๆ ที่เสริมด้วยเส้นใย-Zaliczka ซึ่งสามารถปรับปรุงวัสดุโครงสร้างสำหรับรถยนต์เครื่องบินและการใช้งานอื่น ๆ ที่ต้องการแสงและวัสดุที่ทรงพลัง

ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ในวารสาร วัสดุการทำงานขั้นสูงแสดงสัญญาของการสร้างผลิตภัณฑ์ที่แข็งแกร่งและถูกกว่าเปิดตัวเลือกใหม่สำหรับผู้ผลิตชาวอเมริกันเพื่อใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในแอพพลิเคชั่นเช่นพลังงานและความมั่นคงของชาติ

“ ความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างเส้นใยคาร์บอนและเมทริกซ์พอลิเมอร์ที่อยู่รอบ ๆ พวกเขาเป็นปัญหาในอุตสาหกรรมมาระยะหนึ่ง “เราพบว่าเทคนิคไฮบริดที่ใช้คาร์บอนนาโนเพื่อสร้างพันธะทางเคมีและเชิงกลให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม”

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นคอมโพสิตชนิดหนึ่งที่มีคาร์บอนบริสุทธิ์ฝังอยู่ในพอลิเมอร์เมทริกซ์เช่นการเสริมแรงมันถูกฝังอยู่ในคอนกรีตด้วยวัสดุที่ทำให้เกิดความแข็งแรงและเบากว่าเหล็ก ความท้าทายคือเมทริกซ์พอลิเมอร์ไม่ติดกับคาร์บอนไฟเบอร์มากพอลดประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิต เพื่อปรับปรุงพันธะอินเตอร์ซีนด้วยเส้นใยอุตสาหกรรมพยายามที่จะพื้นผิวด้านนอกของเส้นใยหรือฉีดสารเคมีเข้าสู่ความสำเร็จที่ จำกัด กระบวนการนี้

วิธีการ ORNL รวมทั้งพันธะเชิงกลและสารเคมีเพื่อให้เกิดการปรับปรุง 50% ในความต้านทานแรงดึงและเพิ่มความแข็งแรงเกือบสองเท่าโดยพื้นฐานแล้วความทนทานของวัสดุโดยใช้ nanofibers ปรับอย่างระมัดระวัง

–เราพัฒนากระบวนการนี้ในปี 2566 แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้เรามุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพและความเข้าใจอย่างเต็มที่เกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพที่อนุญาตให้มีการปรับปรุงเหล่านี้– Chris Bowland นักวิจัย Ornl กล่าวเราพบว่าด้วยการควบคุมตัวแปรมากมายเราสามารถสร้าง nanovolar ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และคอมโพสิตประเภทอื่น ๆ อย่างมีนัยสำคัญ–

กุญแจสำคัญในการอัพเกรดเป็นเทคนิคที่เป็นนวัตกรรมที่รู้จักกันในชื่อ electroplating ซึ่งสารตั้งต้นของเส้นใยคาร์บอน, polyacrylonitril ถูกอัดเข้าไปในเส้นใยเช่นเดียวกับผ้าไหมของแมงมุมรีดออกจากช่องท้องของเขา Polyacrylonitril ถูกอัดด้วยสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งเพื่อผลิตเส้นประมาณ 200 นาโนเมตรหรือหนึ่งร้อยความกว้างของเส้นผมมนุษย์ทั่วไป เส้นลางลงบนกลองโลหะหมุนวนด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์

โดยการเปลี่ยนความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าความเร็วกลองและปัจจัยอื่น ๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างเส้นใยที่ผูกกับเมทริกซ์และกลไกกับเส้นใยคาร์บอนอื่น ๆ โดยทั่วไปจะสร้าง “สะพาน” ระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถควบคุมประเภทของพันธะเคมีและการปฐมนิเทศของเส้นใยโดยการปรับสภาพไฟฟ้า

ทีมวิจัยได้ส่งสิทธิบัตรสำหรับเทคนิคนี้และวางแผนที่จะมองหาพันธมิตรทางอุตสาหกรรมเพื่อให้ได้วิธีการด้วยความหวังว่าจะปรับปรุงความสามารถในการแข่งขันของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เชิงพาณิชย์ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในแอพพลิเคชั่นเช่นรถยนต์สนามบินและพลังงาน พวกเขาเห็นศักยภาพในการเสริมสร้างการเปิดแอปพลิเคชันใหม่ในการใช้คาร์บอนไฟเบอร์เช่นโครงสร้างพื้นฐานทางแพ่งหรือการป้องกันและความปลอดภัย

ปัจจัยสำคัญที่ จำกัด การใช้งานของเส้นใยคาร์บอนที่กว้างขึ้นคือค่าใช้จ่าย ด้วยการปรับปรุงการยึดเกาะของเส้นใยผู้ผลิตสามารถใช้วัสดุน้อยลงและใช้เส้นใยคาร์บอนที่สั้นกว่าที่เรียกว่าเส้นใยที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งอาจถูกปฏิเสธ

เพื่อให้แน่ใจว่าเทคนิคใหม่นั้นมีอิทธิพลและยืดหยุ่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทีมต้องการที่จะเข้าใจพลังของเกมอย่างลึกซึ้งในระดับพื้นฐานที่สุด ก่อนอื่นพวกเขาหันไปที่ศูนย์วิทยาศาสตร์วัสดุ Nanophone Ornl, สำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของผู้ใช้วิทยาศาสตร์และเครื่องมือการจำแนกลักษณะและการถ่ายภาพที่หลากหลาย เครื่องมือเหล่านี้อนุญาตให้นักวิจัยเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับย่อยไมครอน พวกเขายังใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่นการกระเจิง x -ray และการถ่ายภาพนิวเคลียร์แม่เหล็ก (NMR) เพื่อทำความเข้าใจว่าเส้นใยและเมทริกซ์ทำงานอย่างไร ในที่สุดพวกเขาก็สามารถเข้าถึงซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ Fronter ที่ Oak Ridge Leadership Computing Facility, DOE Office of Science User เพื่อจำลองอย่างสมบูรณ์และจำลองวิธีการสร้างเส้นใยและการโต้ตอบกับเมทริกซ์

–ลักษณะและวิทยาศาสตร์การคำนวณจำเป็นต้องใช้ทรัพยากรอย่างแท้จริงเช่น ORNLGupta กล่าว –ด้วยการเข้าถึงความรู้และความเป็นไปได้ของผู้เชี่ยวชาญจากห้องปฏิบัติการทั้งหมดเราได้รับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเทคนิคนี้รวมถึงความเป็นไปได้ในการปรับปรุงและทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมในหลายแอปพลิเคชัน–

ทีมวิจัยวางแผนที่จะปรับปรุงเทคนิคการชุบด้วยไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่าการควบคุมและผลลัพธ์ที่ดีขึ้นในขณะที่ศึกษาแอปพลิเคชันที่มีศักยภาพสำหรับคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยอื่น ๆ การวิจัยอย่างต่อเนื่องมีวัตถุประสงค์เพื่อบูรณาการเทคนิคใหม่กับการวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการพัฒนาคอมโพสิตที่เพียงพอด้วยตนเองที่สามารถตรวจสอบสุขภาพของตัวเองได้โดยอนุภาคที่ฝังตัวของสารกึ่งตัวนำหรือวัสดุ piezoelectric

การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานเพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานและพลังงานทดแทนสำนักงานเทคโนโลยีพลังงานลมรวมถึงสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE