新しいテクノロジーが長年の課題を解決

工学研究者は、使用を停止することなく構造物をその場で自己修復できる新しい自己修復複合材を開発しました。 この最新技術は、自己修復材料に関する 2 つの長年の課題を解決し、風力タービンのブレードや航空機の翼などの構造部品の寿命を大幅に延ばすことができます。

「研究者らはさまざまな自己修復材料を開発してきましたが、自己修復複合材料に関するこれまでの戦略は 2 つの実際的な課題に直面していました」と、研究論文の責任著者でノース大学の土木・建設・環境工学の助教授であるジェイソン・パトリック氏は言う。カロライナ州立大学。 「まず、修復するために材料は使用を中止する必要があることがよくあります。 たとえば、オーブンで加熱する必要があるものもありますが、大きなコンポーネントの場合や特定の部品の使用中にこれを行うことはできません。 第二に、自己修復は限られた期間しか機能しません。 たとえば、材料は数回修復できる可能性がありますが、その後は自己修復特性が大幅に低下します。 私たちは、構造用繊維複合材料の強度やその他の性能特性を維持しながら、これらの課題の両方に有意義な方法で対処するアプローチを考案しました。」 実際的には、これは、ユーザーが故障を心配することなく、風力タービンブレードなどの特定の構造コンポーネントを長期間信頼できることを意味します。 「これらの複合材料の寿命を延ばすことで、複合材料の持続可能性を高めます」とパトリック氏は言います。 「風力タービンのブレードが良い例ですが、構造複合材は航空機の翼、人工衛星、自動車部品、スポーツ用品など、さまざまな用途に使用されています。」 新しい自己修復性繊維強化複合材料がどのように機能するかは次のとおりです。 積層複合材料は、ガラスと炭素繊維などの繊維強化材の層を結合して作られています。 損傷は、これらの層を結合する「接着剤」が補強材から剥がれ始めるか、層間剥離が始まるときに最も多く発生します。 研究チームは、強化材上に熱可塑性治癒剤のパターンを 3D プリントすることでこの問題に対処しました。 研究者らはまた、複合材料に薄い「ヒーター」層を埋め込んだ。 電流が印加されると、ヒーター層が暖まります。 これにより、治癒剤が溶け、複合材料内の亀裂や微小亀裂に流れ込み、修復されます。 「自己修復の有効性を維持しながら、このプロセスを少なくとも 100 回繰り返すことができることがわかりました」とパトリック氏は言います。 「上限があるとしても、それが何なのかはわかりません。」 また、印刷された熱可塑性プラスチックは、固有の耐破壊性を最大 500% 向上させます。つまり、最初に層間剥離を引き起こすには、より多くのエネルギーが必要になります。 さらに、治癒剤層とヒーター層はすべて容易に入手できる材料でできており、比較的安価です。 「私たちの設計を組み込んだ複合材料の製造は若干高価になりますが、材料の寿命を大幅に延ばすことでコストは十分に相殺されるでしょう」とパトリック氏は言います。 この新技術のもう1つの利点は、内部発熱体を航空機の翼に組み込むことで、航空会社が航空機が地上にあるときに翼から氷を除去するための化学薬品の使用をやめられること、また飛行中の除氷も可能になることだ。 「私たちは、この多機能テクノロジーが機能することを実証しました」とパトリック氏は言います。 「私たちは現在、特定の用途で使用するためにこれらのポリマーベースの複合材料を調整するのを手伝ってくれる政府および業界のパートナーを探しています。」

論文「熱可逆絡み合いによる構造複合材料の現場での自己修復の延長」は、Nature Communications 誌にオープンアクセスで掲載されています。 この論文の筆頭著者はアレクサンダー・スナイダー博士です。 ノースカロライナ州立大学の学生。 この論文は、Zachary Phillips と Jack Turicek 博士の共著です。 ノースカロライナ州立大学の学生。 テクニオン・イスラエル工科大学のチャールズ・ディーゼンドラック氏。 とヒューストン大学のカリアナ・ナクシャトララ氏。 この研究は、認可番号 FA9550-18-1-0048 の下、米国空軍科学研究局の支援を受けて行われました。 および国防総省の戦略的環境研究開発プログラム（助成金番号 W912HQ21C0044）。