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Pesquisadores de engenharia desenvolveram um novo compósito auto-reparável que permite que as estruturas se reparem no local, sem precisar ser removidas de serviço. Esta tecnologia mais recente resolve dois desafios de longa data para materiais auto-reparáveis e pode prolongar significativamente a vida útil de componentes estruturais, como pás de turbinas eólicas e asas de aeronaves.
“Os pesquisadores desenvolveram uma variedade de materiais auto-regenerativos, mas as estratégias anteriores para compósitos de auto-regeneração enfrentaram dois desafios práticos”, diz Jason Patrick, autor correspondente do trabalho de pesquisa e professor assistente de engenharia civil, construção e meio ambiente na North Universidade Estadual da Carolina.
“Primeiro, os materiais geralmente precisam ser removidos de serviço para curar. Por exemplo, alguns requerem aquecimento em um forno, o que não pode ser feito para componentes grandes ou enquanto uma determinada peça está em uso. a cura funciona apenas por um período limitado. Por exemplo, o material pode ser capaz de curar algumas vezes, após o que suas propriedades de autorreparação diminuiriam significativamente. Criamos uma abordagem que aborda esses dois desafios de maneira significativa forma, mantendo a resistência e outras características de desempenho de compósitos de fibra estrutural.”
Em termos práticos, isso significa que os usuários podem confiar em um determinado componente estrutural, como uma pá de turbina eólica, por um período muito maior de tempo sem se preocupar com falhas.
“Ao aumentar a longevidade desses compósitos, nós os tornamos mais sustentáveis”, diz Patrick. “E embora as pás das turbinas eólicas sejam um bom exemplo, os compósitos estruturais são encontrados em uma ampla variedade de aplicações: asas de aeronaves, satélites, componentes automotivos, artigos esportivos, etc.”
Veja como funciona o novo compósito reforçado com fibra auto-reparável.
Os compósitos laminados são feitos de camadas de reforço fibroso, por exemplo, vidro e fibra de carbono, unidas entre si. Os danos ocorrem com mais frequência quando a “cola” que une essas camadas começa a se desprender do reforço ou a delaminar. A equipe de pesquisa abordou esse problema imprimindo em 3D um padrão de agente de cura termoplástico no material de reforço. Os pesquisadores também incorporaram camadas finas de “aquecedor” no compósito. Quando uma corrente elétrica é aplicada, as camadas do aquecedor aquecem. Isso, por sua vez, derrete o agente de cura, que flui em quaisquer rachaduras ou microfraturas dentro do compósito e as repara.
“Descobrimos que esse processo pode ser repetido pelo menos 100 vezes, mantendo a eficácia da autocura”, diz Patrick. “Não sabemos qual é o limite superior, se é que existe.”
O termoplástico impresso também aumenta a resistência inerente à fratura em até 500%, o que significa que requer mais energia para causar a delaminação em primeiro lugar. Além disso, as camadas do agente de cura e do aquecedor são todas feitas de materiais prontamente disponíveis e são relativamente baratas.
“Embora a fabricação de compósitos que incorporam nosso design seja um pouco mais cara, o custo seria mais do que compensado pela extensão significativa da vida útil do material”, diz Patrick.
Outra vantagem da nova tecnologia é que, se incorporados às asas das aeronaves, os elementos de aquecimento internos permitiriam que as companhias aéreas parassem de usar agentes químicos para remover o gelo das asas quando as aeronaves estão no solo e também para descongelar em voo.
“Nós demonstramos que essa tecnologia multifuncional funciona”, diz Patrick. “Agora estamos procurando parceiros do governo e da indústria para nos ajudar a adaptar esses compósitos à base de polímeros para uso em aplicações específicas”.
O trabalho foi feito com o apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos, sob o número FA9550-18-1-0048; e o Programa Estratégico de Pesquisa e Desenvolvimento Ambiental do Departamento de Defesa, sob o número de concessão W912HQ21C0044.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Estadual da Carolina do Norte. Original escrito por Matt Shipman. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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