Os aviões são gigantes do céu; um avião comercial tem mais de 6 anos, 000 vezes mais pesado do que um grande ganso canadense. A 500 mph, Contudo, esses gigantes não são imunes ao impacto, até mesmo do ganso aparentemente inócuo. Esses danos podem resultar em uma série de problemas, de flutuações na pressão do ar e altitude.

Pesquisadores da USC desenvolveram um novo material que pode consertar esses danos de impacto no ar, assim que ocorrer. O time, liderado por Qiming Wang, Stephen Schrank Presidente de carreira inicial e professor assistente no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental de Sonny Astani, criou estruturas treliçadas 3-D - estruturas que apresentam células repetidas - que se recuperarão autonomamente de danos de impacto, primeiro restaurando a forma original da estrutura e, em seguida, curando as fraturas fatais ou quebras no material.

"Tradicionalmente, estruturas reticuladas, enquanto leve, têm baixa tolerância a danos, ou seja, se houver impacto, vai se espalhar facilmente, eventualmente comprometendo a estrutura. O material que criamos tem alta tolerância a danos, "Disse Wang.

O novo material é caracterizado por alta resistência e rigidez. Ao contrário dos materiais tradicionais de autocura, Wang disse, no caso de uma fratura, nenhuma intervenção manual é necessária. "Você não tem que empurrar as peças fraturadas juntas para permitir a cura do material, "Wang disse." A característica de memorização de forma de nosso novo material significa que as peças fraturadas se alinharão de volta à forma original de forma autônoma, antes de iniciar a cura dos vínculos individuais. "

A equipe de pesquisadores inclui:USC Viterbi Ph.D. alunos Kunhao Yu, Haixu Du, An Xin, Kyung Hoon Lee, e Zhangzhengrong Feng; Professor do Departamento Sonny Astani de Engenharia Civil e Ambiental Sami F. Masri; Professor no Departamento Daniel J Epstein de Engenharia Industrial e de Sistemas Yong Chen; e o professor Guoliang Huang do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Missouri. Seu trabalho foi publicado em NPG Asia Materials .

Autocura, Forma memorizável e fotocurável

As estruturas treliçadas 3-D não são fáceis de fabricar. Disse Wang:"O método existente - montagem camada por camada do laminado - é demorado." Contudo, Wang disse, ser capaz de usar a impressão 3D, você está restrito a materiais específicos. Esses materiais não possuem as propriedades necessárias para a autocura autônoma.

Para criar um novo material que tivesse todas as características desejadas, os pesquisadores se basearam em uma inovação anterior:um material autocurativo mais parecido com borracha com ligações dinâmicas (ligações dissulfeto) que desencadeiam a autocura. Quando esses laços se separam, a aplicação de calor os empurra de volta juntos para reformar as ligações originais. Embora auto-curável, o material semelhante a borracha era muito macio para suportar muito peso.

Para incorporar as propriedades necessárias ao cumprimento de seus objetivos, os pesquisadores adicionaram domínios cristalinos - polímeros com alta rigidez e capacidade de resposta ao calor. "O material é forte como o Teflon. Em nossos estudos, descobrimos que o material poderia suportar 1, 000 vezes o seu próprio peso, "Disse Wang.

Quando os pesquisadores incorporaram os domínios cristalinos, eles também adicionaram outra propriedade chave:memória de forma, o que significa que os polímeros memorizam a forma original da estrutura.

Para cumprir todos os seus objetivos, os pesquisadores também adicionaram o grupo químico acrilato (frequentemente usado em adesivos), que tornou o material fotocurável, ou reativo quando o material é exposto à luz. Essa propriedade era essencial para o uso de uma técnica de impressão 3-D chamada estereolitografia, pelo qual a luz faz com que o material líquido se solidifique camada por camada para formar estruturas de rede sólidas.

Quando ocorre dano de impacto, um material geralmente exibe duas formas de deformação:uma amolgadela ou mudança de forma e fraturas estruturais (ligações quebradas). Tradicionalmente, com materiais autocuráveis ​​existentes, Wang disse que as fraturas podem ser curadas, mas não até que ocorresse o realinhamento manual das peças fraturadas - basicamente empurrando o objeto de volta à sua forma original. Com o novo material, a recuperação da forma e o reparo da fratura ocorrem de forma autônoma, com a aplicação de calor.

O processo começa com o impacto. Uma vez que uma estrutura é danificada, calor remoto - aplicado a 80 graus Celsius (cerca de 176 graus Fahrenheit) no estudo - é aplicado para iniciar o processo de restauração da forma. Nesse caso, os pesquisadores criaram uma asa lateral e colocaram um peso nela. Uma vez danificado, o calor foi aplicado. A forma original da asa foi restaurada em dois minutos. Sob calor contínuo, as peças fraturadas começam a reformar as ligações e a cicatrizar. Depois de seis horas, o material voltou à sua resistência e estrutura originais.

Neste estudo, os pesquisadores completaram dez ciclos de dano e cura com a mesma estrutura. Mesmo após o décimo ciclo, a estrutura manteve o mesmo nível de integridade mecânica originalmente.

Aviões, Trens e automóveis

Essas novas estruturas de treliça podem ser usadas para reforçar qualquer número de veículos, do avião ao automóvel. “Quando há um acidente, reparar amassados ​​e rachaduras na carroceria de um carro é sempre muito problemático, "Disse Wang." Mas se a carroceria do carro fosse feita de nossas novas estruturas de treliça, este reparo pode ocorrer de forma autônoma, retornando o corpo à sua forma e função originais, sem custo adicional ou tempos de reparo excessivos. "

Praticamente, Wang vê esse material funcionando junto com os sensores. Se o sensor detectar no dano de impacto, um aquecedor será acionado, começando o processo de cura. Outras aplicações incluem veículos de defesa, como tanques, ou coletes / armaduras à prova de balas. Wang disse que este material pode oferecer períodos de uso mais longos e melhor tolerância a danos para peças-chave.

Outra aplicação é um resultado direto da memória de forma e das próprias características de cura. Wang disse que se você cortar ou alterar uma estrutura para transformá-la em outra - por exemplo, de um triângulo para uma forma kagome (baseada em estrela), você pode ajustar o material para exibir qualidades diferentes, por exemplo, amortecimento versus transmissão de certas frequências de vibração. Assim que esse uso for concluído, a aplicação de calor retornará a estrutura à sua forma original.