"Исследователи разработали множество самовосстанавливающихся материалов, но предыдущие стратегии самовосстанавливающихся композитов столкнулись с двумя практическими проблемами", - говорит Джейсон Патрик, автор-корреспондент исследовательской работы и доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Университете штата Северная Каролина.

"Во-первых, материалы часто приходится выводить из эксплуатации, чтобы они заживали. Например, некоторые требуют нагрева в духовке, что невозможно для крупных компонентов или во время использования данной детали. Во-вторых, самовосстановление работает только в течение ограниченного периода. Например, материал может быть способен к заживлению несколько раз, после чего его самовосстанавливающиеся свойства значительно уменьшатся. Мы разработали подход, который эффективно решает обе эти проблемы, сохраняя при этом прочность и другие эксплуатационные характеристики конструкционных волокнистых композитов".

С практической точки зрения это означает, что пользователи могут полагаться на данный конструктивный компонент, такой как лопасть ветряной турбины, в течение гораздо более длительного периода времени, не беспокоясь о поломке.

"Увеличивая долговечность этих композитов, мы делаем их более устойчивыми", - говорит Патрик. "И хотя лопасти ветряных турбин являются хорошим примером, конструкционные композиты находят широкое применение: крылья самолетов, спутники, автомобильные компоненты, спортивные товары и многое другое".

Вот как работает новый самовосстанавливающийся композит, армированный волокнами.

Слоистые композиты изготавливаются из слоев волокнистой арматуры, например стекла и углеродного волокна, соединенных вместе. Повреждение чаще всего происходит, когда "клей", который связывает эти слои вместе, начинает отслаиваться от арматуры или расслаиваться. Исследовательская группа решила эту проблему, напечатав на 3D-принтере рисунок из термопластичного заживляющего средства на армирующий материал. Исследователи также внедрили в композит тонкие слои "нагревателя". При подаче электрического тока слои нагревателя нагреваются. Это, в свою очередь, расплавляет заживляющий агент, который проникает в любые трещины или микротрещины внутри композита и восстанавливает их.

"Мы обнаружили, что этот процесс можно повторить по меньшей мере 100 раз, сохраняя при этом эффективность самовосстановления", - говорит Патрик. "Мы не знаем, каков верхний предел, если он вообще существует".

Напечатанный термопластик также повышает присущую ему стойкость к разрушению до 500%, что означает, что для того, чтобы вызвать расслоение в первую очередь, требуется больше энергии. Кроме того, все слои заживляющего средства и нагревателя изготовлены из легкодоступных материалов и относительно недороги.

"Хотя изготовление композитов, учитывающих наш дизайн, было бы незначительно дороже, затраты были бы с лихвой компенсированы значительным увеличением срока службы материала", - говорит Патрик.

Еще одним преимуществом новой технологии является то, что, если ее внедрить в крылья самолетов, внутренние нагревательные элементы позволят авиакомпаниям отказаться от использования химических реагентов для удаления льда с крыльев, когда самолеты находятся на земле, а также для удаления льда в полете.

"Мы продемонстрировали, что эта многофункциональная технология работает", - говорит Патрик. "Сейчас мы ищем партнеров из правительства и промышленности, которые помогли бы нам адаптировать эти композиты на основе полимеров для использования в конкретных областях применения".

Работа была выполнена при поддержке Управления научных исследований ВВС США в рамках гранта № FA9550-18-1-0048 ; и Программа стратегических экологических исследований и разработок Министерства обороны в рамках гранта № W912HQ21C0044.