Nova tecnologia resolve desafios de longa data para você mesmo

Pesquisadores de engenharia desenvolveram um novo compósito autocurativo que permite que as estruturas se reparem no local, sem a necessidade de serem retiradas de serviço. Esta tecnologia mais recente resolve dois desafios de longa data para materiais autocuráveis ​​e pode prolongar significativamente a vida útil de componentes estruturais, como pás de turbinas eólicas e asas de aeronaves.

“Os pesquisadores desenvolveram uma variedade de materiais autocurativos, mas estratégias anteriores para compósitos autocurativos enfrentaram dois desafios práticos”, diz Jason Patrick, autor correspondente do artigo de pesquisa e professor assistente de engenharia civil, construção e ambiental na North. Universidade Estadual da Carolina. “Primeiro, os materiais muitas vezes precisam ser retirados de serviço para serem curados. Por exemplo, alguns requerem aquecimento em forno, o que não pode ser feito para componentes grandes ou enquanto uma determinada peça está em uso. Em segundo lugar, a autocura só funciona por um período limitado. Por exemplo, o material pode ser capaz de curar algumas vezes, após o que as suas propriedades de auto-reparação diminuiriam significativamente. Criamos uma abordagem que aborda ambos os desafios de uma forma significativa, mantendo ao mesmo tempo a resistência e outras características de desempenho dos compósitos de fibras estruturais.” Em termos práticos, isto significa que os utilizadores podem confiar num determinado componente estrutural, como uma pá de turbina eólica, durante um período de tempo muito mais longo, sem se preocuparem com falhas. “Ao aumentar a longevidade destes compósitos, tornamo-los mais sustentáveis”, diz Patrick. “E embora as pás das turbinas eólicas sejam um bom exemplo, os compósitos estruturais são encontrados em uma ampla variedade de aplicações: asas de aeronaves, satélites, componentes automotivos, artigos esportivos, entre outros.” Veja como funciona o novo compósito reforçado com fibra autocurável. Os compósitos laminados são feitos de camadas de reforço fibroso, por exemplo, vidro e fibra de carbono, unidas entre si. Os danos ocorrem com mais frequência quando a “cola” que une essas camadas começa a se soltar do reforço ou a delaminar. A equipe de pesquisa resolveu esse problema imprimindo em 3D um padrão de agente de cura termoplástico no material de reforço. Os pesquisadores também incorporaram finas camadas de “aquecedor” no compósito. Quando uma corrente elétrica é aplicada, as camadas do aquecedor aquecem. Isto, por sua vez, derrete o agente de cura, que flui para quaisquer fissuras ou microfraturas dentro do compósito e as repara. “Descobrimos que este processo pode ser repetido pelo menos 100 vezes, mantendo a eficácia da autocura”, diz Patrick. “Não sabemos qual é o limite superior, se é que existe algum.” O termoplástico impresso também aumenta a resistência inerente à fratura em até 500%, o que significa que requer mais energia para causar delaminação. Além disso, o agente de cura e as camadas de aquecimento são todos feitos de materiais facilmente disponíveis e são relativamente baratos. “Embora fabricar compósitos que incorporassem nosso design fosse um pouco mais caro, o custo seria mais do que compensado pelo prolongamento significativo da vida útil do material”, diz Patrick. Outra vantagem da nova tecnologia é que, se incorporados nas asas das aeronaves, os elementos de aquecimento internos permitiriam às companhias aéreas deixar de usar agentes químicos para remover o gelo das asas quando as aeronaves estão no solo, e também para descongelar durante o voo. “Demonstramos que esta tecnologia multifuncional funciona”, diz Patrick. “Agora estamos procurando parceiros governamentais e industriais para nos ajudar a adaptar esses compósitos à base de polímeros para uso em aplicações específicas.”

O artigo, “Autocura prolongada in situ em compósitos estruturais via emaranhamento termorreversível”, foi publicado em acesso aberto na revista Nature Communications. O primeiro autor do artigo é Alexander Snyder, Ph.D. estudante da NC State. O artigo foi coautor de Zachary Phillips e Jack Turicek, Ph.D. estudantes da NC State; Charles Diesendruck do Instituto de Tecnologia Technion – Israel; e Kalyana Nakshatrala, da Universidade de Houston. O trabalho foi realizado com o apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, sob o número de concessão FA9550-18-1-0048; e o Programa Estratégico de Pesquisa e Desenvolvimento Ambiental do Departamento de Defesa, sob o número de concessão W912HQ21C0044.