Покрытие, сигнализирующее о критических невидимых повреждениях
Исследователи из Университета штата Иллинойс разрабатывают покрытие, предназначающееся для передачи четкого обозначения структурного повреждения настолько малого, что иначе было бы невозможно его обнаружить невооруженным глазом, однако способным спровоцировать катастрофическую аварию.
Команда под руководством профессора материаловедения и инженерии Нэнси Соттос, профессора авиационно-космической техники Скотта Уайта, и научного сотрудника Веньлэ Ли работает над новым полимерным покрытием специально для использования на конструкционных материалах, говорится в заявлении университета.
Когда эти материалы подвергаются даже малейшему повреждению, цвет покрытия меняется, чтобы предупредить инспекторов о проблеме. Потенциальные области применения включают в себя самолеты, мосты и трубопроводы.
«Полимеры склонны к нарушению целостности в виде мелких трещин, которые часто нелегко обнаружить. Даже в небольших масштабах, повреждение в виде трещины может значительно нарушить монолитность и функциональность таких материалов», — сказала Соттос.
«Мы создали очень простой, но первоклассный материал, автономно указывающий на автоматические повреждения».
Команда недавно опубликовала свои выводы в статье, озаглавленной «Автономная индикация механических повреждений полимерных покрытий» в научном журнале Advanced Materials.
Выявление реакции
В лаборатории ученые помещали микрокапсулы, заполненные желтым рН-чувствительным красящим веществом в эпоксид. Трещины, царапины, надломы или любые нагрузки на материал разрушают капсулу и выпускают краситель.
Когда краситель реагирует с эпоксидной смолой, происходит безошибочное изменение окраски – краситель меняется от светло-желтого к ярко-красному. Команда сказала, что достаточно маленькой трещины в 10 микрометров, чтобы спровоцировать изменение цвета, указывая на потерю структурной целостности.
Это помогает оценить уровень повреждения, чем более глубокое истирание или трещины будут появляться, они будут вскрывать больше микрокапсул, что приведет к повышению интенсивности красного цвета.
«Обнаружение повреждения, прежде чем может возникнуть значительная коррозия или другие проблемы, обеспечивает повышенную безопасность и надежность для покрытых структур и композитов», — сказал Уайт.
Тестирование показало, что покрытие является эффективным для разных материалов, включая металлы, полимеры и стекол; обладает долгосрочной стабильностью (т. е. никаких ложных сигналов в результате утечки микрокапсул или их выцветания); и предлагает недорогое решение для предотвращения разрушения конструкций.
«Полимер должен содержать 5 процентов микрокапсул для проявления превосходной способности обозначения повреждения», — сказала Соттос. «Чтобы приобрести эту способность самоотчетности, это является экономически выгодным».
Дальнейшее развитие
Исследовательская группа теперь обращает свое внимание на поиск дополнительного применения для своей «системы индикации повреждения». Возможности заключаются в ее применении в волокнистонаполненных композитах и объединении ее с предыдущей работой группы по системам самозалечивания.
«Мы предполагаем, что эта способность самоотчетности может легко сочетаться с другими функциями, такими как самозалечивание и защита от коррозии как для информирования, так и для восстановления повреждений», — сказала Соттос.
«Идет работа по объединению способности обнаруживать новое повреждение с функциональностью самовосстановления и вторичной индикации, которая бы показывала, что восстановление трещины не произошло».
Уайт и Соттос аффилированы с Институтом передовой науки и техники Бэкмана в Университете штата Иллинойс, который поддерживает работу.
Научный сотрудник Ли был первым автором работы, а аспиранты Кристофер Мэттьюс, Майкл Одартшенко и Кэ Янг были соавторами.