Nowy, wielofunkcyjny kompozyt, wykonany z CFRP (carbon fiber reinforced polymer) i materiału piezoelektrycznego, wykorzystuje wibracje do sygnalizacji defektów strukturalnych. Wynalazek nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania i może znaleźć zastosowanie w kompozytowych strukturach motoryzacyjnych, lotniczych i budowlanych.
Lekkie i wytrzymałe materiały kompozytowe są szeroko wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. Trudność związana z diagnostyką stanu struktur kompozytowych wynika z faktu, że defekty rozwijają się w głębi materiału i są trudne do wykrycia metodami nieniszczącymi. Badania zaawansowanymi narzędziami diagnostycznymi są zaś utrudnione w przypadku wielkogabarytowych struktur z sektora lotniczego czy energetycznego. Z kolei implementacja różnego rodzaju czujników, wymagających zasilania bateryjnego lub okablowania niekorzystanie odbija się na wytrzymałości strukturalnej kompozytu. To właśnie dlatego, zdaniem dr Zhenjin Wang z Uniwersytetu Tohoku, tak bardzo potrzebne jest rozwiązanie samozasilające się.
Japońscy badacze zaprezentowali tego rodzaju rozwiązanie, które opiera się na integracji piezoelektrycznego nanokompozytu w strukturze CFRP. Nanokompozyt jest zbudowany z nanocząstek bezołowiowego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego w postaci niobianu potasu sodu (KNN), zatopionych w matrycy epoksydowej, co zapewnia wytrzymałość strukturalną i dobrą współpracę z CFRP. Tak wykonany nanokompozyt przetwarza energię mechaniczną drgań na energię elektryczną. Impulsy elektryczne, generowane pod wpływem drgań, mogą być przetwarzane na sygnały, odbierane bezprzewodowo przez komputer. Jak wyjaśnia dr Wang, propagacja pęknięcia w obrębie CFRP skutkuje zmianą modulacji impulsów. Tym sposobem możliwy jest zdalny monitoring struktur kompozytowych, niewymagający zewnętrznego źródła zasilania.
Podczas prób materiał był w stanie wygenerować napięcie 13.6 V. Pęknięcie między warstwami CFRP a piezoelektrycznym nanokompozytem zarejestrowano poprzez spadek napięcia i obniżenie częstotliwości rezonansowej. Ten stosunkowo prosty mechanizm diagnostyczny może przyczynić się do redukcji masy konstrukcji, kosztów utrzymania, a także poprawy bezpieczeństwa. Dalsze badania nad prezentowanym rozwiązaniem będą miały za zadanie wykazać optymalny pod względem trwałości sposób integracji warstwy nanokompozytu w strukturze CFRP.
tohoku.ac.jp
Na nieco innej zasadzie opiera się alternatywne rozwiązanie, w którym pęknięcia diagnozowane są dzięki luminescencji. O tego typu laminacie pisaliśmy już wcześniej:
