پلاستیک هوشمند جدید خود ترمیم شونده

پلاستیک هوشمند جدید خود ترمیم شونده که از فولاد قوی‌تر است

محققان مهندسی هوافضا و علوم مواد در دانشگاه تگزاس A&M خواص جدیدی از یک پلاستیک هوشمند، قابل بازیافت و فوق‌ العاده بادوام را کشف کرده‌اند که راه را برای کاربردهای متحول‌ کننده در صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی هموار می‌کند.

بررسی یکپارچگی مکانیکی کوپلیستر ترموست آروماتیک

این موفقیت - که توسط وزارت دفاع ایالات متحده تأمین مالی شده و در نشریات ماکرومولکول‌ها و مواد کامپوزیتی منتشر شده است، توسط دکتر محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا در دانشگاه تگزاس A&M، با همکاری نزدیک دکتر آندریاس پلیکارپو در دانشگاه تولسا رهبری شد.

کار آنها بررسی یکپارچگی مکانیکی، بازیابی شکل و خواص خودترمیمی یک کامپوزیت پلاستیکی پیشرفته از جنس فیبر کربن به نام کوپلی‌ استر ترموست آروماتیک (ATSP) بود.

دکتر محمد نراقی، مدیر آزمایشگاه مواد نانوساختار و استاد مهندسی هوافضا، کالج مهندسی دانشگاه تگزاس A&M می‌گوید: "آنچه واقعا هیجان‌ انگیز است، این است که این ماده نه تنها فوق‌ العاده بادوام بلکه تطبیق ‌پذیر نیز هست. از ترمیم فوری در هواپیماهای آسیب‌ دیده گرفته تا افزایش ایمنی مسافران در وسایل نقلیه، این خواص آن را برای مواد آینده و نوآوری‌های طراحی فوق‌ العاده ارزشمند می‌کند".

خودترمیمی بر اساس تقاضا

ATSP مرزهای جدیدی را در صنایعی که عملکرد و قابلیت اطمینان فاکتورهای بسیار مهمی به شمار می‌روند و شکست یک گزینه نیست، باز می‌کند. به گفته نراقی، در کاربردهای هوافضا، مواد با تنش شدید و دمای بالا مواجه هستند. اگر هر یک از این عناصر به هر بخشی از هواپیما آسیب برساند و یا یکی از کاربردهای اصلی آن را مختل کند، می‌توانید خودترمیمی را بر اساس تقاضا انجام دهید.

با رشد و توسعه ATSP، این طرح پتانسیل ایجاد تحول در صنایع تجاری و مصرفی، به ویژه بخش هوافضا و صنعت دفاعی را دارد. طبق مطالعات نراقی، به دلیل تبادلات پیوندی که در این ماده رخ می‌دهد، می‌توان تغییر شکل‌های خودروهای زرهی را پس از تصادف بازیابی کرد و از همه مهم‌تر، با محافظت از سرنشین، ایمنی خودرو را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید. ATSP همچنین جایگزین پایدارتری برای پلاستیک‌های سنتی خواهد بود. قابلیت بازیافت آن، این ماده را به گزینه‌ای ایده‌ آل برای صنایعی تبدیل می‌کند که باهدف کاهش ضایعات زیست‌ محیطی بدون به خطر انداختن دوام یا استحکام، به دنبال آن هستند.

او همچنین اثبات کرد که این ویتریمرها، وقتی با الیاف ناپیوسته تقویت می‌شوند، می‌توانند چرخه‌های یکنواختی را طی کنند؛ می‌توانید به راحتی آن را خرد کرده و به شکل جدیدی قالب‌  گیری کنید، و این امر می‌تواند در چرخه‌های بسیار زیادی اتفاق بیفتد و شیمی ماده اساسا تخریب نمی‌شود.

کشف قابلیت‌های ATSP با آزمایشات متعدد

به گفته نراقی، ATSP ها دسته‌ای نوظهور از ویتریمرها هستند که بهترین ویژگی‌های پلاستیک‌های سنتی را با هم ترکیب می‌کنند. به عبارت دیگر، آنها انعطاف ‌پذیری ترموپلاستیک‌ها را با پایداری شیمیایی و ساختاری ترموست‌ها ترکیب می‌کنند. بنابراین، هنگامی که با الیاف کربن قوی ترکیب می‌شوند، ماده‌ای به دست می‌آید که چندین برابر قوی‌تر از فولاد و درعین حال سبک‌تر از آلومینیوم است. آنچه ATSP ا از پلاستیک‌های سنتی متمایز می‌کند، قابلیت‌های خود ترمیمی و بازیابی شکل آن است.

نراقی توضیح داد که بازیابی شکل و خود ترمیمی دو جنبه از یک مکانیسم هستند. منظور از بازیابی شکل، تبادل پیوند در یک قطعه پیوسته از ماده است؛ نوعی "هوش" درونی. و در خود ترمیمی، ناپیوستگی‌هایی مانند یک ترک در ماده وجود دارد. اینها خواصی هستند که ما در مطالعات مان بررسی کردیم.

برای بررسی خواص آن، محققان از یک آزمایش تنش جدید به نام آزمایش خزش چرخه‌ای استفاده کردند. نراقی چرخه‌های مکرر بارهای کششی یا کششی را به نمونه‌های خود اعمال کرده و تغییرات در نحوه انباشت، ذخیره و آزادسازی انرژی کرنشی در مواد را به خوبی رصد کرد. محققان با استفاده از بارگذاری چرخه‌ای، دو دمای بحرانی را در داخل ماده شناسایی کردند. باتوجه به یافته‌های نراقی، اولی دمای انتقال شیشه‌ای یا دمایی است که در آن زنجیره‌های پلیمری می‌توانند به راحتی حرکت کنند و دومی دمای انجماد است. این دمایی است که در آن این پیوندها ازنظر حرارتی به اندازه کافی فعال می‌شوند که بتوانیم تبادلات پیوندی عظیمی را مشاهده کنیم که باعث ترمیم، تغییر شکل و بازیابی می‌شوند. سپس این تیم آزمایشات خستگی خمشی چرخه عمیق را انجام داد و به طور دوره‌ای ماده را تا حدود ۱۶۰ درجه سانتیگراد گرم کرد تا خود ترمیمی را تحریک کند.

نتایج به دست آمده نشان داد که نمونه‌های ATSP نه تنها صدها چرخه تنش و گرمایش را بدون شکست تحمل کردند، بلکه در طول فرایند ترمیم نیز به دوام بیشتری رسیدند.

به گفته نراقی، همانطور که پوست می‌تواند کش بیاید، التیام یابد و به شکل اولیه خود بازگردد، این ماده هم تغییر شکل داد، التیام یافت و شکل اولیه خود را "به خاطر" آورد و نسبت به زمانی که در ابتدا ساخته شده بود، بادوام‌تر شد. علاوه براین، پس از دو دوره کامل ترمیم آسیب، به قدرت کامل خود بازمی‌گردد. نراقی و تیمش ASTP مقاوم در برابر حرارت را تحت پنج چرخه تنش طاقت ‌فرسا قرار دادند که پس از هر چرخه، در معرض دمای بالایی در حدود ۲۸۰ درجه سانتیگراد قرار می‌گرفت. او هدف از این کار را ارزیابی عملکرد و خواص خود ترمیمی مواد بیان کرد.

پس از دو چرخه کامل ترمیم آسیب، ماده تقریبا به استحکام کامل خود بازگشت. در چرخه پنجم، به دلیل خستگی مکانیکی، راندمان ترمیم به حدود ۸۰ درصد کاهش یافت. نراقی با استفاده از تصویربرداری با وضوح بالا مشاهده کرد که کامپوزیت پس از آسیب و ترمیم مشابه طرح اولیه است، اگرچه آسیب‌های مکرر باعث ایجاد برخی سایش‌های مکانیکی موضعی ناشی از نقص‌های تولیدی شد. با این حال، پایداری شیمیایی و رفتارهای خود ترمیمی این ماده در هر پنج چرخه قابل اعتماد باقی ماند. نراقی همچنین مشاهده کرد که هیچ تخریب یا از هم گسیختگی حرارتی در این ماده وجود ندارد که نشان‌ دهنده دوام آن حتی پس از آسیب و ترمیم است.

مشارکت‌های استراتژیک در برنامه‌های کاربردی تاثیرگذار

مطالعات نراقی، که توسط دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (AFOSR) و با همکاری اینوویشن ATSP حمایت مالی می‌شود، بر تعهد دانشگاه تگزاس A&M در تبدیل نوآوری‌های فناورانه به قابلیت‌های انقلابی که اولویت‌های دفاعی و صنعتی ایالات متحده را پیش می‌برد، تاکید دارد.

نراقی تاکید کرد که همکاری‌های ما بسیار مهم هستند. مدیران برنامه در AFOSR علاوه بر حمایت مالی از ما، با ما همکاری می‌کنند و راهنمایی‌های ارزشمندی درمورد سوالاتی که ممکن است نادیده گرفته شوند، ارائه می‌دهند. همکاری نزدیک ما با اینوویشن ATSP نیز بسیار پربار و مهم بوده است. دستاورد تیم تحقیقاتی چیزی بیش از یک طبقه نوظهور از مواد را نشان می‌دهد؛ این یک طرح اولیه است که نشان می‌دهد چگونه علم جسورانه و مشارکت‌های استراتژیک می‌توانند آینده‌ای را که در آن پلاستیک‌ها نه تنها دوام می‌آورند، بلکه تکامل یافته و سازگار می‌شوند، از نو تعریف کنند.