p Compósitos de fibra de carbono - leves e fortes - são ótimos materiais estruturais para automóveis, aeronaves e outros veículos de transporte. Eles consistem em uma matriz de polímero, como epóxi, em que fibras de carbono de reforço foram incorporadas. Por causa das diferenças nas propriedades mecânicas desses dois materiais, as fibras podem se desprender da matriz sob tensões excessivas ou fadiga. Isso significa que os danos nas estruturas compostas de fibra de carbono podem permanecer escondidos abaixo da superfície, indetectável por inspeção visual, potencialmente levando a uma falha catastrófica. p "Compósitos de fibra de carbono falham catastroficamente, então você não verá danos até que toda a estrutura falhe, "disse Chris Bowland, um Wigner Fellow no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia. "Ao saber o que está acontecendo dentro do composto, você pode avaliar melhor sua saúde e saber se há danos que precisam ser reparados. "

p Recentemente, Bowland e Amit Naskar, líder do Grupo de Carbono e Compostos do ORNL, inventou um processo roll-to-roll para revestir fibras de carbono eletricamente condutoras com nanopartículas de carboneto de silício semicondutoras. Este composto incorporado em nanomaterial é mais forte do que outros compostos reforçados com fibra e está imbuído de uma nova capacidade - a capacidade de monitorar sua própria integridade estrutural.

p Quando uma quantidade suficiente de fibra revestida é incorporada em um polímero, as fibras criam uma rede elétrica e o composto em massa torna-se eletricamente condutor. As nanopartículas semicondutoras podem interromper essa condutividade elétrica em resposta às forças aplicadas, adicionar uma funcionalidade eletromecânica ao composto.

p Se o composto estiver tenso, a conectividade das fibras revestidas é interrompida e a resistência elétrica do material muda. Se a turbulência da tempestade causar a flexão de uma asa de avião composta, um sinal elétrico pode alertar o computador do avião de que a asa sofreu estresse excessivo e solicitar uma recomendação para uma inspeção.

p A demonstração roll-to-roll do ORNL provou, em princípio, que o método poderia ser ampliado para a produção de alto volume de fibras revestidas para compósitos de próxima geração. Compósitos de autodetecção, talvez feito com uma matriz de polímero renovável e fibras de carbono de baixo custo, poderiam encontrar-se em produtos onipresentes, até mesmo incluindo veículos e edifícios impressos em 3D.

p Para fabricar fibras embutidas em nanopartículas, os pesquisadores carregaram carretéis de fibra de carbono de alto desempenho em rolos que mergulharam a fibra em epóxi carregados com nanopartículas disponíveis comercialmente com a largura de um vírus (45-65 nanômetros). A seguir, a fibra foi seca em estufa para solidificação do revestimento.

p Para testar a força com a qual as fibras incorporadas em nanopartículas aderiram à matriz polimérica, os pesquisadores fizeram vigas compostas reforçadas com fibras com as fibras alinhadas em uma direção. Bowland conduziu testes de estresse em que ambas as extremidades deste cantilever foram fixadas enquanto uma máquina avaliando o desempenho mecânico empurrou o meio da viga até que ela falhou. Para investigar as capacidades de detecção do composto, ele fixou eletrodos em ambos os lados do cantilever. Em uma máquina chamada de "analisador mecânico dinâmico, "ele prendeu uma extremidade para segurar o cantilever estacionário. A máquina aplicou força na outra extremidade para flexionar o feixe enquanto Bowland monitorava a mudança na resistência elétrica. O colega de pós-doutorado do ORNL Ngoc Nguyen conduziu testes adicionais em um espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier para estudar produtos químicos liga dentro dos compósitos e melhora a compreensão da resistência mecânica aprimorada que foi observada.

p Os pesquisadores também testaram compósitos feitos com diferentes quantidades de nanopartículas quanto à capacidade de dissipar energia - medida pelo comportamento de amortecimento de vibração - uma capacidade que beneficiaria materiais estruturais sujeitos a impactos, sacode, e outras fontes de estresse e tensão. Em cada concentração, as nanopartículas aumentaram a dissipação de energia (em 65 a 257 por cento).

p Bowland e Naskar solicitaram uma patente para o processo de fabricação de compósitos de fibra de carbono com detecção automática.

p "O revestimento por imersão oferece uma nova rota para utilizar novos nanomateriais em desenvolvimento, "Bowland disse.

p O Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório do ORNL apoiou a pesquisa, que é publicado em Materiais e interfaces aplicados ACS , um jornal da American Chemical Society.

p O título do artigo é "Processamento Rolo a Rolo de Fibra de Carbono Depositada por Nanopartículas de Carboneto de Silício para Compósitos Multifuncionais".