Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram uma nova técnica inovadora usando nanofibras de carbono para melhorar a ligação em fibra de carbono e outros compósitos de polímeros reforçados com fibra-um avanço que provavelmente melhorará materiais estruturais para automóveis, aviões e outras aplicações que requerem peso leve e forte.
Os resultados, publicados na revista Materiais funcionais avançadosmostre promessa para fabricar produtos mais fortes e mais acessíveis, abrindo novas opções para os fabricantes dos EUA usarem fibra de carbono em aplicações como energia e segurança nacional.
“O desafio de melhorar a adesão entre as fibras de carbono e a matriz polimérica que os rodeia tem sido uma preocupação na indústria há algum tempo, e muitas pesquisas adotaram diferentes abordagens”, disse Sumit Gupta, pesquisador de ORNL que liderou o projeto. “O que descobrimos é que uma técnica híbrida usando nanofibras de carbono para criar ligações químicas e mecânicas gera excelentes resultados”.
A fibra de carbono é um tipo de compósito no qual fios de carbono puro são incorporados em uma matriz de polímeros, assim como o vergalhão é incorporado em concreto, tornando o materials resultante mais forte e mais leve que o aço. O desafio é que o polímero da matriz não se agarra com força suficiente à fibra de carbono, reduzindo o desempenho do materials composto. Para melhorar a ligação interfacial da matriz de fibra, a indústria tentou texturizar o exterior das fibras ou injetar produtos químicos no processo-com sucesso limitado.
A abordagem ORNL combina a ligação mecânica e química para produzir uma melhoria de 50% na resistência à tração e um aumento de tenacidade quase duplo, essencialmente a durabilidade do materials, através do uso de nanofibras cuidadosamente adaptadas.
““Desenvolvemos esse processo em 2023, mas temos focado ultimamente em otimizá -lo e entender completamente os processos físicos que permitem essas melhorias”Disse o pesquisador da ORNL Chris Bowland.“Descobrimos que, ao controlar cuidadosamente várias variáveis, podemos criar nanofibras que melhoram bastante o desempenho dos compósitos de fibra de carbono e potencialmente outros tipos de compósitos.”
A chave para as melhorias é uma técnica inovadora conhecida como eletrofiação em que um precursor de fibra de carbono, o poliacrilonitrila, é extrudado em fibras, como uma aranha extrudem seda do abdômen. O poliacrilonitrila é extrudado através de um forte campo elétrico para produzir fios com cerca de 200 nanômetros de largura, ou um centésimo da largura de um cabelo humano típico. Os fios pousam em um tambor de steel giratório sobrecarregado com tecido de fibra de carbono.
Ao variar a força do campo elétrico, a velocidade do tambor e outros fatores, os pesquisadores podem criar fibras que se ligam quimicamente à matriz e se ligam mecanicamente a outras fibras de carbono, criando essencialmente “pontes” entre os dois materiais diferentes. Os pesquisadores também foram capazes de controlar os tipos de ligação química e a orientação das fibras, ajustando as condições de eletrofiação.
A equipe de pesquisa solicitou uma patente sobre a técnica e planeja procurar parceiros industriais para licenciar a abordagem na esperança de melhorar a competitividade de compósitos comerciais de fibra de carbono, que já são usados extensivamente em aplicações como automóveis, Aeroespacial e energia. Eles veem potencial para a técnica de reforço para abrir novas aplicações para o uso de fibra de carbono, como infraestrutura civil ou defesa e segurança.
Um fator limitante -chave para a implantação mais ampla de fibra de carbono é o custo. Ao melhorar a adesão de fibras, os fabricantes podem usar menos do materials e até usar fibras de carbono mais curtas, conhecidas como fibras descontínuas, que de outra forma poderiam ter sido descartadas.
Para garantir que a nova técnica seja o mais impactante e flexível possível, a equipe queria entender profundamente as forças em jogo nos níveis mais fundamentais. Eles se voltaram para o Centro de Ciências dos Materiais de Nanofase da Ornl, um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE e sua vasta gama de ferramentas de caracterização e imagem. Essas ferramentas permitiram que os pesquisadores vissem o que estava acontecendo no nível do sub-micron. Eles também usaram técnicas como espalhamento de raios-X e ressonância magnética nuclear (RMN) para entender como as fibras e a matriz interagem. Finalmente, eles acessaram o supercomputador de fronteira na instalação de computação de liderança de Oak Ridge, um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE, para modelar e simular totalmente como as fibras se formam e interagem com a matriz.
““A caracterização e a ciência computacional realmente exigiam os recursos de um lugar como o ornl”Gupta disse.“Ao acessar conhecimentos e capacidades de todo o laboratório, obtivemos uma compreensão mais profunda dessa técnica, juntamente com a capacidade de melhorá -la e torná -lo mais flexível para o setor usar em várias aplicações.”
A equipe de pesquisa planeja continuar refinando a técnica de eletrofiação para proporcionar maior controle e melhores resultados, ao mesmo tempo em que exploram possíveis aplicações para outros compósitos reforçados com fibra. Pesquisas em andamento estão buscando integrar a nova técnica com pesquisas anteriores sobre o desenvolvimento de compósitos auto-sensíveis que podem monitorar sua própria saúde através de partículas incorporadas de materiais semicondutores ou piezoelétricos.
A pesquisa foi patrocinada pelo Escritório de Eficiência Energética e do Escritório de Tecnologias de Veículos e Energia Renovável da Vitality, Escritório de Tecnologias de Energia Eólica, bem como pelo Escritório de Ciências do DOE.