أعلن فريق من المهندسين من جامعة ولاية كارولينا الشمالية وجامعة هيوستن مؤخرًا أنهم طوروا مادة مركبة جديدة معززة بالألياف يمكنها إصلاح نفسها بشكل متكرر أكثر من 1000 مرة بعد تعرضها لأضرار هيكلية. وفي الوقت نفسه، فإن قوتها الأولية أعلى بكثير من المواد المركبة التقليدية المستخدمة حاليًا لصنع المكونات الرئيسية مثل أجنحة الطائرات وشفرات توربينات الرياح. وقد وصفه الباحثون بأنه "يغير قواعد اللعبة" في مجموعة متنوعة من التطبيقات الرئيسية. يعتقد فريق البحث أنه من المتوقع أن تعمل هذه المادة على إطالة عمر خدمة المعدات الرئيسية بشكل كبير مثل السيارات والطائرات والمركبات الفضائية وتوربينات الرياح.
يستهدف هذا الاختراق مشكلة شائعة تتمثل في "فشل التصفيح" في المواد المركبة - أثناء الخدمة، ينفصل الهيكل الطبقي داخل البوليمر المقوى بالألياف (FRP) تدريجيًا بمرور الوقت، مما يؤدي إلى التشقق أو حتى الكسر. تشبه المادة الجديدة في مظهرها مادة FRP التقليدية، ولكنها أكثر صرامة في التصميم الهيكلي ويمكن أن تمنع بشكل أكثر فعالية التصفيح وانتشار الشقوق والأضرار الهيكلية الشاملة.
ووفقا للتقارير، استخدم الباحثون تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتضمين طبقة متوسطة من "عامل الشفاء الذاتي" لدن بالحرارة مع نمط محدد بين طبقات المادة المركبة، وبالتالي تحقيق قدرات معززة بشكل كبير في مكافحة التصفيح. تتكون هذه الطبقة المتوسطة من البولي (حمض الإيثيلين والميثاكريليك المشترك) (EMAA)، مما يزيد من مقاومة المادة لأضرار التصفيح بما يقرب من 2 إلى 4 مرات مقارنة بـ FRP العادي، مما يقلل بشكل كبير من توليد الشقوق والأضرار الهيكلية.
بالإضافة إلى الطبقة الوسطى من عامل الشفاء الذاتي، تم أيضًا دمج طبقة تسخين قائمة على الكربون داخل المادة. ويعتبر هذا التصميم بمثابة ابتكار رئيسي آخر. عند تطبيق تيار خارجي، ستسخن طبقات التسخين هذه وتذوب الطبقة الوسطى EMAA، مما يؤدي إلى تدفقها إلى شقوق صغيرة، وإعادة ملء و"لحام" الواجهة التالفة، وإكمال ما يسمى بعملية "الإصلاح الحراري". تنشأ الآلية من إعادة تشابك وإعادة بناء سلاسل البوليمر.
من أجل التحقق من قدرة هذه المادة الجديدة على الشفاء الذاتي، قام الباحثون بمحاكاة بيئة الخدمة الفعلية من خلال تطبيق أحمال الشد وعيوب التصفيح المصطنعة التي يبلغ طولها حوالي بوصتين في العينات. بعد ذلك، قام الفريق بتنشيط عملية الإصلاح الذاتي عدة مرات وأعاد اختبار التحميل والإصلاح والتلف بشكل متكرر لمدة تصل إلى 40 يومًا، ليصبح المجموع 1000 دورة لتقييم صيانة السلامة الهيكلية للمادة في ظل ظروف التلف والإصلاح المتكررة.
تظهر النتائج التجريبية أن المادة لا تزال قادرة على إصلاح الضرر الداخلي بشكل فعال بعد دورات متعددة للشفاء الذاتي من الضرر والحفاظ على صلابة عالية دون تدهور هيكلي واضح. وبناءً على ذلك، رأى فريق البحث أنه إذا تم اعتماد هذه المادة على نطاق واسع في صناعات مثل الطيران والطاقة المتجددة والسيارات، فمن المتوقع أن يمتد عمر خدمة المكونات الرئيسية من العقود النموذجية الحالية إلى مئات السنين.
وقال جاك توريسيك، المؤلف الأول للدراسة، إنه بالمقارنة مع المواد المركبة التقليدية، فإن هذه المادة الجديدة أقوى منذ البداية ويمكنها تحمل الأضرار الهيكلية بشكل أفضل خلال 500 دورة لإصلاح الأضرار على الأقل. على الرغم من أن صلابة المادة ستنخفض تدريجيًا مع زيادة عدد الإصلاحات، إلا أن عملية التحلل هذه بطيئة جدًا، والتي يمكنها نظريًا إطالة العمر الإنتاجي للأجزاء ذات الصلة إلى حوالي 500 عام، في حين أن العمر النموذجي للمواد المركبة التقليدية FRP يتراوح في الغالب من 15 إلى 40 عامًا فقط.
وأشار الباحثون إلى أنه إذا أمكن استخدام هذه المادة في التطبيقات الهندسية، فإنها ستساعد في تقليل تكاليف التشغيل والصيانة من خلال إطالة عمر المكونات الرئيسية وتقليل تكرار الاستبدال. كما أنه سيعمل على تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات النفايات الصلبة الصناعية عن طريق تقليل احتياجات التصنيع والاستبدال، الأمر الذي سيكون له أهمية إيجابية لإدارة النفايات الصناعية وحماية البيئة. ومع ذلك، فقد أكدوا أيضًا على أن الاختبارات الحالية لا تزال تُجرى بشكل أساسي في بيئات معملية، وأن المواد تحتاج إلى الخضوع لاختبار طويل الأمد في ظل ظروف عمل حقيقية قبل أن يتم اعتبارها حقًا حلولًا هندسية ناضجة وموثوقة.