Kompozyty włókniste w matrycy polimerowej stanowią atrakcyjny materiał konstrukcyjny, łączący niską masę ze znakomitymi właściwościami mechanicznymi i wytrzymałością. W ich strukturze, za sztywność i przenoszenie obciążeń odpowiadają włókna wzmocnienia – najczęściej szklane lub węglowe. Warstwowa struktura oraz orientacja włókien wzmocnienia przekładają się na anizotropową charakterystykę materiałów kompozytowych, z którą związane są charakterystyczne rodzaje uszkodzeń.
Na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej NCSU od lat prowadzone są badania nad wytrzymałością strukturalną kompozytów włóknistych. Szczególną uwagę naukowcy poświęcili zjawisku delaminacji, czyli utraty spójności na styku poszczególnych warstw wzmocnienia i materiału osnowy. Tego rodzaju defekty są szczególnie niebezpieczne, ponieważ pozostają niewidoczne na zewnątrz materiału, ich wykrycie przy użyciu technik nieniszczących napotyka poważne problemy, a ewentualna naprawa jest bardzo utrudniona. Przyjęte przez specjalistów z NCSU podejście zakłada przeciwdziałanie efektom delaminacji poprzez integrację funkcjonalności samonaprawy w obrębie struktury kompozytu.
Opracowane rozwiązanie opiera się na wykorzystaniu czynnika o własnościach regeneracyjnych w postaci EMAA – kopolimeru etylenu i kwasu metakrylowego. Podczas produkcji detali kompozytowych, drukarka 3D nanosi pojedynczą warstwę czynnika EMAA na poszczególne warstwy włókien wzmocnienia, z uwzględnieniem ścieżek, po których rozprowadzone zostają materiały elektroprzewodzące na bazie węgla, rozgrzewające się pod wpływem przebiegu prądu. Pod wpływem podwyższonej temperatury, czynnik EMAA ulega rozpuszczeniu, dzięki czemu może wniknąć w szczeliny i pęknięcia, łatając rozwarstwioną strukturę.
Na potrzeby weryfikacji efektywności takiego rozwiązania zbudowano stanowisko testowe, na którym przez czterdzieści dni próbkę materiału poddawano obciążeniom, prowadzącym do powstania delaminacji na odcinku 50 mm w obrębie kompozytu, a następnie z pomocą prądu elektrycznego uruchamiano mechanizm samonaprawy. W ramach powtarzanego eksperymentu tysiąckrotnie odnotowano skuteczną regenerację struktury kompozytowej.
Zdaniem autorów wynalazku, w zależności od występujących obciążeń, struktury kompozytowe wykorzystywane w różnych sektorach przemysłu, na przykład w energetyce wiatrowej czy lotnictwie, mogłyby być poddawane regeneracji po odnotowaniu silnych uderzeń lub podczas okresowych czynności konserwacyjnych. Na tej zasadzie przewidywane jest znaczne wydłużenie cyklu życia materiałów tego typu. W stosunku do obecnych resursów, dochodzących do czterdziestu lat, w przypadku przeprowadzanej kwartalnie regeneracji kompozytu, można byłoby spodziewać się nawet trzykrotnego wydłużenia cyklu życia.
ncsu.edu
J.S. Turicek, Z.J. Phillips, K.B. Nakshatrala, & J.F. Patrick: Self-healing for the long haul: In situ automation delivers century-scale fracture recovery in structural composites, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (2) e2523447123, 2026
