La nueva tecnología resuelve desafíos de larga data para uno mismo

Investigadores de ingeniería han desarrollado un nuevo compuesto autorreparable que permite que las estructuras se reparen solas en su lugar, sin tener que retirarlas del servicio. Esta última tecnología resuelve dos desafíos de larga data para los materiales autorreparables y puede extender significativamente la vida útil de componentes estructurales como palas de turbinas eólicas y alas de aviones.

"Los investigadores han desarrollado una variedad de materiales autorreparables, pero las estrategias anteriores para los compuestos autorreparables se han enfrentado a dos desafíos prácticos", dice Jason Patrick, autor correspondiente del artículo de investigación y profesor asistente de ingeniería civil, de construcción y ambiental en North Universidad Estatal de Carolina. “En primer lugar, a menudo es necesario retirar los materiales del servicio para poder sanar. Por ejemplo, algunos requieren calentamiento en un horno, lo que no se puede hacer para componentes grandes o mientras una pieza determinada está en uso. En segundo lugar, la autocuración sólo funciona durante un período limitado. Por ejemplo, el material podría curarse varias veces, después de lo cual sus propiedades de autorreparación disminuirían significativamente. Hemos ideado un enfoque que aborda ambos desafíos de manera significativa, manteniendo al mismo tiempo la resistencia y otras características de rendimiento de los compuestos de fibra estructural”. En términos prácticos, esto significa que los usuarios pueden confiar en un componente estructural determinado, como la pala de una turbina eólica, durante un período de tiempo mucho más largo sin preocuparse por fallas. "Al aumentar la longevidad de estos compuestos, los hacemos más sostenibles", afirma Patrick. "Y si bien las palas de las turbinas eólicas son un buen ejemplo, los compuestos estructurales se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones: alas de aviones, satélites, componentes de automóviles, artículos deportivos, lo que sea". Así es como funciona el nuevo compuesto reforzado con fibra y autorreparable. Los compuestos laminados se fabrican a partir de capas de refuerzo fibroso, por ejemplo de vidrio y fibra de carbono, unidas entre sí. El daño ocurre con mayor frecuencia cuando el “pegamento” que une estas capas comienza a desprenderse del refuerzo o a deslaminarse. El equipo de investigación abordó este problema imprimiendo en 3D un patrón de agente curativo termoplástico sobre el material de refuerzo. Los investigadores también incorporaron finas capas "calentadoras" en el compuesto. Cuando se aplica una corriente eléctrica, las capas calentadoras se calientan. Esto, a su vez, derrite el agente curativo, que fluye hacia las grietas o microfracturas dentro del composite y las repara. "Hemos descubierto que este proceso se puede repetir al menos 100 veces manteniendo la eficacia de la autocuración", dice Patrick. "No sabemos cuál es el límite superior, si es que lo hay". El termoplástico impreso también mejora la resistencia inherente a la fractura hasta en un 500 %, lo que significa que requiere más energía para provocar la delaminación en primer lugar. Además, el agente curativo y las capas calentadoras están hechas todas de materiales fácilmente disponibles y son relativamente económicos. "Si bien fabricar compuestos que incorporen nuestro diseño sería ligeramente más costoso, el costo se compensaría con creces al extender significativamente la vida útil del material", dice Patrick. Otra ventaja de la nueva tecnología es que, si se incorporan a las alas de los aviones, los elementos calefactores internos permitirían a las aerolíneas dejar de utilizar agentes químicos para eliminar el hielo de las alas cuando los aviones están en tierra, y también descongelarlos en vuelo. "Hemos demostrado que esta tecnología multifuncional funciona", afirma Patrick. "Ahora estamos buscando socios gubernamentales y de la industria que nos ayuden a adaptar estos compuestos a base de polímeros para su uso en aplicaciones específicas".

El artículo, “Autocuración in situ prolongada en compuestos estructurales mediante entrelazamiento termorreversible”, se publica en acceso abierto en la revista Nature Communications. El primer autor del artículo es Alexander Snyder, Ph.D. estudiante en NC State. El artículo fue coautor de Zachary Phillips y Jack Turicek, Ph.D. estudiantes de NC State; Charles Diesendruck del Technion-Instituto de Tecnología de Israel; y Kalyana Nakshatrala de la Universidad de Houston. El trabajo se realizó con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., con el número de subvención FA9550-18-1-0048; y el Programa de Investigación y Desarrollo Ambiental Estratégico del Departamento de Defensa, con el número de subvención W912HQ21C0044.

-barquero-

Nota para los editores:A continuación se presenta el resumen del estudio.

“Autorreparación in situ prolongada en compuestos estructurales mediante entrelazamiento termorreversible”

Autores: Alexander D. Snyder, Zachary J. Phillips, Jack S. Turicek y Jason F. Patrick, Universidad Estatal de Carolina del Norte; Charles E. Diesendruck, Technion-Instituto de Tecnología de Israel; y Kalyana B. Nakshatrala, Universidad de Houston

Publicado: 31 de octubre, Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-022-33936-z

Abstracto: Los procesos naturales degradan continuamente el rendimiento de un material a lo largo de su ciclo de vida. Una clase emergente de polímeros y compuestos sintéticos autorreparables posee funciones de retención de propiedades con la promesa de una vida útil más larga. Pero la reparación sostenida en servicio de compuestos estructurales reforzados con fibras sigue sin realizarse debido a la heterogeneidad del material y las barreras termodinámicas en los componentes de la matriz polimérica comúnmente reticulados. Superar estos desafíos inherentes a la autorrecuperación mecánica es vital para ampliar la operación en servicio y lograr una adopción generalizada de dichos materiales estructurales bioinspirados. Aquí trascendemos los obstáculos existentes e informamos sobre un compuesto de fibra capaz de lograr una curación in situ prolongada y a escala diminuta: 100 ciclos: un orden de magnitud mayor que estudios anteriores. Al imprimir en 3D un termoplástico reparable sobre un refuerzo tejido de fibra de vidrio/carbono y colaminarlo con capas intermedias de calentadores eléctricamente resistivos, logramos la reparación térmica in situ de la delaminación interna mediante la reasociación dinámica de enlaces. La recuperación total de la fractura se produce por debajo de la temperatura de transición vítrea del compuesto termoestable de matriz epóxica, preservando así la rigidez durante y después de la reparación. También se revela un descubrimiento de mejora impulsada químicamente en la reparación térmica de compuestos de vidrio sobre fibra de carbono. La marcada extensión de la vida útil que ofrece esta estrategia de autorreparación mitiga el costoso mantenimiento, facilita la reparación de estructuras de difícil acceso (por ejemplo, palas de turbinas eólicas) y reduce el reemplazo de piezas, beneficiando así a la economía y al medio ambiente.