Pašdziedējoši materiāli: Revolūcija autonomā remontā

Iedomājieties materiālus, kas var autonomi sevi salabot, pagarinot to kalpošanas laiku, samazinot uzturēšanas izmaksas un samazinot ietekmi uz vidi. Tas ir pašdziedējošu materiālu solījums, strauji augoša joma ar potenciālu pārveidot daudzas nozares. Sākot ar aviāciju un automobiļu rūpniecību un beidzot ar biomedicīnas inženieriju un infrastruktūru, pašdziedējoši materiāli ir gatavi revolucionizēt veidu, kā mēs projektējam, būvējam un uzturam apkārtējo pasauli.

Kas ir pašdziedējoši materiāli?

Pašdziedējoši materiāli, kas pazīstami arī kā autonomi dziedējoši materiāli vai viedie materiāli, ir paredzēti, lai automātiski labotu bojājumus bez ārējas iejaukšanās. Šī spēja tiek panākta, izmantojot dažādus mehānismus, ko bieži iedvesmo dabiski dziedināšanas procesi, kas atrodami dzīvos organismos. Šos mehānismus var plaši iedalīt divās galvenajās pieejās: iekšējā un ārējā pašdziedēšana.

• Iekšējā pašdziedēšana: Šī pieeja ietver dziedinošu vielu vai atgriezenisku ķīmisko saišu iekļaušanu tieši materiāla struktūrā. Kad rodas bojājumi, šīs vielas vai saites tiek aktivizētas, izraisot plaisu un citu bojājumu veidu remontu.
• Ārējā pašdziedēšana: Šī pieeja izmanto iekapsulētas dziedinošas vielas vai asinsvadu tīklus, kas iegulti materiālā. Kad rodas bojājumi, kapsulas plīst vai tiek traucēts asinsvadu tīkls, atbrīvojot dziedinošo vielu bojātajā vietā, kur tā pēc tam sacietē vai polimerizējas, lai salabotu plaisu.

Pašdziedējošu materiālu veidi

Pašdziedēšanās spējas var iestrādāt plašā materiālu klāstā, tostarp:

Pašdziedējoši polimēri

Polimēri ir īpaši piemēroti pašdziedēšanās lietojumiem to raksturīgās elastības un apstrādājamības dēļ. Pašdziedējošu polimēru izveidei tiek izmantotas vairākas pieejas:

• Uz kapsulām balstītas sistēmas: Mikro kapsulas, kas satur šķidras dziedinošas vielas, piemēram, epoksīdsveķus un cietinātājus, ir izkliedētas visā polimēra matricā. Kad plaisa izplatās, tā saplēš kapsulas, atbrīvojot dziedinošo vielu plaisā. Pēc tam dziedinošais līdzeklis tiek pakļauts polimerizācijai vai citām ķīmiskām reakcijām, lai sacietētu un savienotu plaisas virsmas. Klasisks piemērs ir diciklopentadiēna (DCPD) izmantošana, kas iekapsulēts mikrokapsulās, ko polimerizē Grubbs katalizators, kas atrodas polimēra matricā. Šī pieeja ir plaši pētīta lietojumiem pārklājumos un strukturālos kompozītmateriālos.
• Asinsvadu tīkli: Līdzīgi asinsrites sistēmai dzīvos organismos, asinsvadu tīklus var iegult polimēros, lai piegādātu dziedinošas vielas bojātām vietām. Šos tīklus var izveidot, izmantojot upurējamās šķiedras vai mikrokanālus. Kad rodas bojājumi, dziedinošā viela plūst caur tīklu, lai aizpildītu plaisu.
• Atgriezeniskas ķīmiskās saites: Dažus polimērus var projektēt ar atgriezeniskām ķīmiskām saitēm, piemēram, ūdeņraža saitēm, disulfīdu saitēm vai Diels-Alder aduktiem. Šīs saites var pārtraukt un reformēt, reaģējot uz mehānisku spriegumu vai temperatūras izmaiņām, ļaujot materiālam dziedēt mikroplaisas. Piemēram, polimēri, kas satur disulfīdu saites, var tikt pakļauti dinamiskām apmaiņas reakcijām, kas izraisa plaisu slēgšanu un sadzīšanu.
• Formas atmiņas polimēri: Šie polimēri var atgūt savu sākotnējo formu pēc deformācijas, ļaujot tiem aizvērt plaisas un citus bojājumu veidus. Formas atmiņas polimērus bieži izraisa temperatūras izmaiņas vai citi ārēji stimuli.

Piemērs: Japānā pētnieki izstrādā pašdziedējošus polimērus viedtālruņu ekrāniem. Šie polimēri var autonomi salabot skrāpējumus un nelielas plaisas, pagarinot ierīces kalpošanas laiku un samazinot nepieciešamību pēc dārgiem remontiem vai nomaiņām.

Pašdziedējoši kompozītmateriāli

Kompozīti, kas ir materiāli, kas izgatavoti, apvienojot divus vai vairākus dažādus materiālus, piedāvā lielāku izturību un stingrību. Pašdziedēšanās funkcionalitāti var integrēt kompozītos, lai uzlabotu to izturību un izturību pret bojājumiem. Tiek izmantotas vairākas metodes:

• Šķiedru pastiprināšana ar dziedinošām vielām: Dziedinošas vielas var iekļaut šķiedrās, ko izmanto kompozītmateriāla pastiprināšanai. Kad rodas bojājumi, dziedinošā viela tiek atbrīvota no šķiedrām, lai salabotu plaisu.
• Slānis pa slānim dziedēšana: Izveidojot kompozītmateriāla struktūru ar mainīgiem pašdziedējošu polimēru un stiegrojuma materiālu slāņiem, bojājumus var lokalizēt un salabot noteiktos slāņos.
• Mikrovaskulāri tīkli: Līdzīgi polimēriem, mikrovaskulāros tīklus var iegult kompozītmateriāla matricā, lai piegādātu dziedinošas vielas bojātām vietām.

Piemērs: Lidmašīnu spārni bieži tiek izgatavoti no kompozītmateriāliem, lai samazinātu svaru un uzlabotu degvielas efektivitāti. Pašdziedēšanās spēju iegulšana šajos kompozītos var uzlabot to izturību pret triecieniem un pagarināt to kalpošanas laiku, nodrošinot drošāku un ilgtspējīgāku gaisa satiksmi. Uzņēmumi, piemēram, Boeing un Airbus, aktīvi pēta un izstrādā pašdziedējošas kompozītu tehnoloģijas.

Pašdziedējoša keramika

Keramika ir pazīstama ar savu augsto izturību un cietību, bet tā ir arī trausla un pakļauta plaisāšanai. Pašdziedējoša keramika var pārvarēt šo ierobežojumu, iekļaujot mehānismus, kas veicina plaisu aizvēršanu un savienošanu.

• Uz oksidēšanās balstīta dziedēšana: Daži keramikas materiāli, piemēram, silīcija karbīds (SiC), var dziedēt plaisas augstā temperatūrā, oksidējoties. Kad veidojas plaisa, skābeklis iekļūst plaisā un reaģē ar SiC, veidojot silīcija dioksīdu (SiO2), kas aizpilda plaisu un savieno plaisas virsmas.
• Uz nogulsnēm balstīta dziedēšana: Iekļaujot sekundārās fāzes, kas var izgulsnēties un aizpildīt plaisas paaugstinātā temperatūrā, var uzlabot keramikas pašdziedēšanās spējas.

Piemērs: Augstas temperatūras lietojumos, piemēram, gāzes turbīnās un kosmiskās aviācijas komponentos, pašdziedējoša keramika var ievērojami pagarināt šo kritisko komponentu kalpošanas laiku, salabojot plaisas, kas veidojas termiskā sprieguma un oksidēšanās dēļ.

Pašdziedējoši pārklājumi

Pašdziedējoši pārklājumi ir paredzēti, lai aizsargātu pamatmateriālus no korozijas, skrāpējumiem un citiem bojājumu veidiem. Šos pārklājumus var uzklāt uz dažādām virsmām, tostarp metāliem, plastmasām un betonam.

• Uz mikrokapsulām balstīti pārklājumi: Līdzīgi pašdziedējošiem polimēriem, mikrokapsulas, kas satur korozijas inhibitorus vai citas aizsargājošas vielas, var iekļaut pārklājumā. Kad pārklājums ir bojāts, kapsulas plīst, atbrīvojot aizsargājošo vielu, lai novērstu turpmāku noārdīšanos.
• Formas atmiņas polimēru pārklājumi: Šie pārklājumi var atgūt savu sākotnējo formu pēc saskrāpēšanas vai bojājumiem, efektīvi slēpjot bojājumus un atjaunojot pārklājuma aizsargājošās īpašības.
• Stimuliem reaģējoši pārklājumi: Šie pārklājumi var reaģēt uz ārējiem stimuliem, piemēram, gaismu vai temperatūru, lai aktivizētu pašdziedēšanās mehānismus.

Piemērs: Automašīnu lietojumiem tiek izstrādāti pašdziedējoši pārklājumi, lai aizsargātu automašīnas krāsu no skrāpējumiem un vides bojājumiem. Šie pārklājumi var automātiski salabot nelielus skrāpējumus, saglabājot transportlīdzekļa izskatu un vērtību.

Pašdziedējošu materiālu pielietojumi

Pašdziedējošu materiālu potenciālie pielietojumi ir plaši un daudzveidīgi, aptverot daudzas nozares.

Aviācija

Pašdziedējoši kompozītmateriāli un pārklājumi var uzlabot lidmašīnu komponentu, piemēram, spārnu, fizelāžu un dzinēju detaļu, izturību un drošību. Automātiski salabojot triecienu, noguruma vai korozijas radītos bojājumus, pašdziedējoši materiāli var pagarināt lidmašīnu kalpošanas laiku, samazināt uzturēšanas izmaksas un uzlabot drošību.

Automobiļu rūpniecība

Pašdziedējoši pārklājumi var aizsargāt automašīnas krāsu no skrāpējumiem un vides bojājumiem, saglabājot transportlīdzekļa izskatu un vērtību. Pašdziedējošus polimērus var izmantot arī riepās, lai salabotu caurumus un pagarinātu to kalpošanas laiku.

Biomedicīnas inženierija

Pašdziedējošus hidrogēlus un citus bioloģiski saderīgus materiālus var izmantot audu inženierijā, zāļu piegādē un brūču dziedēšanas lietojumos. Šie materiāli var veicināt audu reģenerāciju un paātrināt dziedināšanas procesu. Piemēram, pašdziedējošus hidrogēlus var izmantot kā karkasus šūnu augšanai un audu atjaunošanai, nodrošinot atbalstošu vidi šūnu vairošanai un diferenciācijai. Pašdziedējošus materiālus var izmantot arī zāļu piegādes sistēmās, lai kontrolēti atbrīvotu zāles, ko izraisa bojājumi vai citi stimuli. Turklāt pašdziedējoši brūču pārsēji var paātrināt brūču aizvēršanu un samazināt infekcijas risku.

Infrastruktūra

Pašdziedējošs betons un asfalts var ievērojami pagarināt ceļu, tiltu un citu infrastruktūras elementu kalpošanas laiku. Automātiski salabojot plaisas un citus bojājumu veidus, šie materiāli var samazināt uzturēšanas izmaksas un uzlabot infrastruktūras sistēmu drošību un uzticamību. Piemēram, pašdziedējošs betons var iekļaut baktērijas, kas ražo kalcija karbonātu, kas aizpilda plaisas un stiprina betona struktūru.

Elektronika

Pašdziedējošus polimērus var izmantot, lai izveidotu elastīgas un izturīgas elektroniskas ierīces, kas var izturēt liekšanu, stiepšanu un citus mehāniskas spriedzes veidus. Šie materiāli var arī salabot elektronisko shēmu bojājumus, pagarinot elektronisko ierīču kalpošanas laiku.

Tekstilizstrādājumi

Pašdziedējoši tekstilizstrādājumi var salabot plīsumus un caurumus, pagarinot apģērbu, mēbeļu un citu tekstilizstrādājumu kalpošanas laiku. Šie materiāli var būt īpaši noderīgi aizsargapģērbā un āra aprīkojumā.

Pašdziedējošu materiālu priekšrocības

Pašdziedējošu materiālu ieviešana piedāvā daudzas priekšrocības, tostarp:

• Pagarināts kalpošanas laiks: Pašdziedējoši materiāli var ievērojami pagarināt produktu un konstrukciju kalpošanas laiku, automātiski salabojot bojājumus, samazinot nepieciešamību pēc bieža remonta vai nomaiņas.
• Samazinātas uzturēšanas izmaksas: Samazinot uzturēšanas iejaukšanās biežumu un apjomu, pašdziedējoši materiāli var samazināt uzturēšanas izmaksas un uzlabot darbības efektivitāti.
• Uzlabota drošība: Pašdziedējoši materiāli var uzlabot kritisko komponentu un sistēmu drošību un uzticamību, novēršot katastrofālus kļūmes un nodrošinot nepārtrauktu funkcionalitāti.
• Uzlabota ilgtspēja: Pagarinot produktu kalpošanas laiku un samazinot nepieciešamību pēc nomaiņas, pašdziedējoši materiāli var veicināt ilgtspējīgāku resursu izmantošanu un samazināt ietekmi uz vidi.
• Palielināta efektivitāte: Samazinot dīkstāvi remontam un apkopei, pašdziedējoši materiāli var uzlabot darbības efektivitāti un produktivitāti.

Izaicinājumi un turpmākie virzieni

Lai gan pašdziedējoši materiāli piedāvā milzīgu potenciālu, jāatrisina vairāki izaicinājumi, pirms tos var plaši ieviest:

• Izmaksas: Pašdziedējošu materiālu ražošanas izmaksas var būt augstākas nekā parastajiem materiāliem, kas var ierobežot to ieviešanu dažos lietojumos.
• Dziedēšanas efektivitāte: Pašdziedēšanās mehānismu efektivitāte var atšķirties atkarībā no materiāla veida, bojājuma rakstura un vides apstākļiem.
• Izturība: Pašdziedējošu materiālu ilgtermiņa izturība ir jāizpēta sīkāk, lai nodrošinātu, ka tie var izturēt atkārtotus bojājumu un dziedēšanas ciklus.
• Mērogojamība: Pašdziedējošu materiālu ražošanas palielināšana, lai apmierinātu liela mēroga lietojumu prasības, var būt sarežģīta.

Turpmākie pētniecības pasākumi koncentrēsies uz šo izaicinājumu risināšanu un jaunu pašdziedējošu materiālu izstrādi ar uzlabotu veiktspēju, zemākām izmaksām un uzlabotu mērogojamību. Dažas galvenās pētniecības jomas ietver:

• Jaunu dziedinošu vielu un mehānismu izstrāde: Pētnieki pēta jaunus materiālus un paņēmienus, lai uzlabotu pašdziedēšanās mehānismu efektivitāti un daudzpusību.
• Pašdziedējošu materiālu izturības un uzticamības uzlabošana: Ilgtermiņa testēšana un modelēšana tiek izmantota, lai novērtētu pašdziedējošu materiālu veiktspēju dažādos vides apstākļos un slodzes scenārijos.
• Pašdziedējošu materiālu izmaksu samazināšana: Pētnieki strādā pie rentablāku ražošanas procesu izstrādes un viegli pieejamu materiālu izmantošanas.
• Pašdziedēšanās spēju integrēšana esošajos materiālos un ražošanas procesos: Tas ietver metožu izstrādi, lai nemanāmi iekļautu pašdziedēšanās funkcionalitāti parastajos materiālos un ražošanas procesos.
• Jaunu pašdziedējošu materiālu pielietojumu izpēte: Pētnieki pastāvīgi meklē jaunus veidus, kā izmantot pašdziedējošus materiālus, lai atrisinātu reālās pasaules problēmas dažādās nozarēs.

Secinājums

Pašdziedējoši materiāli pārstāv paradigmas maiņu materiālu zinātnē un inženierijā. Nodrošinot autonomu remontu, šie materiāli piedāvā potenciālu pagarināt produktu un konstrukciju kalpošanas laiku, samazināt uzturēšanas izmaksas, uzlabot drošību un uzlabot ilgtspēju. Lai gan izaicinājumi joprojām pastāv, pašreizējie pētniecības un attīstības pasākumi šajā jomā paver ceļu pašdziedējošu materiālu plašai ieviešanai daudzos lietojumos, pārveidojot nozares un veidojot noturīgāku un ilgtspējīgāku nākotni.

Rīcības ieskats: Izpētiet pašdziedējošu materiālu potenciālos pielietojumus savā nozarē. Apsveriet, kā šie materiāli varētu uzlabot jūsu produktu vai infrastruktūras izturību, uzticamību un ilgtspēju.