Ученые из Университета Северной Каролины представили революционный самовосстанавливающийся композитный материал, способный продлить срок службы критически важных конструкций, таких как самолеты и лопасти ветряных турбин, до нескольких столетий.
Разработанный материал может самостоятельно "залечивать" внутренние повреждения до тысячи раз, что потенциально может увеличить эксплуатационный ресурс с нынешних 40 лет до 500 лет при проведении ежегодного ремонта.
Ключевой инновацией стала борьба с вековой проблемой композитов – межслойным расслоением (деламинацией). Этот скрытый дефект, внутреннее растрескивание и расслоение слоев, долгое время ограничивало срок службы прочных и легких волокнистых композитов, используемых в авиации, автостроении и энергетике. Новый материал решает эту задачу за счет двух основных усовершенствований. Во-первых, на армирующее волокно с помощью 3D-печати наносится термопластичный заживляющий агент, что изначально делает композит в 2-4 раза более устойчивым к расслоению. Во-вторых, в структуру интегрированы тонкие нагревательные слои на углеродной основе. При пропускании электрического тока они нагреваются, расплавляя заживляющий агент, который затем проникает в трещины и восстанавливает целостность материала.
Для проверки долговечности материал подвергли экстремальному тестированию: автоматизированная система создавала в образце деламинацию длиной 50 миллиметров, а затем активировала процесс термического восстановления. Этот цикл был повторен 1000 раз в течение 40 дней. Результаты показали, что материал изначально обладает более высокой устойчивостью к разрушению по сравнению с обычными композитами, и, что важно, сохраняет способность к восстановлению после множества циклов повреждения и "заживления". Статистическое моделирование подтверждает, что материал остается структурно стабильным на протяжении колоссальных промежутков времени.
Как отметил Джейсон Патрик, доцент университета и автор работы, эта технология может значительно снизить затраты и трудозатраты, связанные с заменой поврежденных композитных компонентов, а также уменьшить объемы отходов и потребление энергии в промышленных отраслях. Особенно перспективно применение материала в областях, где частый ручной ремонт невозможен, например, в конструкциях для длительных космических миссий. Технология уже запатентована через стартап Structeryx Inc., а детали исследования были опубликованы 9 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.