|
بر اساس یک مطالعه جدید، با افزودن حتی مقادیر کمی از نانولوله‌های کربنی
می‌توان گام‌های بلندی را در افزایش قدرت، کمال و ایمنی مواد پلاستیکی ـ که
کاربرد گسترده‌ای در کاربردهای مهندسی دارند ـ برداشت.
پژوهشگران پژوهشگاه پلی‌تکنیک Rensselaer، روشی ساده و جدید برای تشخیص و
ترمیم ترک‌های خطرناک و کوچک در بال‌های هواپیما و بسیاری از ساختارهای
دیگر که از ترکیبات پلیمری ساخته شدهاند، ابداع کرده‌اند.
این پژوهشگران با وارد کردن تدریجی نانولوله‌های کربنی رسانای الکتریسیته
به یک پلیمر و بررسی و ثبت مداوم مقاومت الکتریکی ساختار، توانستند مکان و
طول ترک ناشی از فشار در یک ساختار مرکب را دقیقاً شناسایی کنند. مهندسان
با تعیین محل ترک، یک جریان الکتریکی کوچک را برای گرم کردن نانولوله کربنی
به این ناحیه می‌فرستند و در اثر ذوب شدن عامل بهبوددهنده ـ که در پلیمر
جاسازی شده ـ ترک را با ۷۰ درصد بازگشت استحکام اولیه ترمیم می‌کنند.
به گفته Nikhil A. Koratkar، استاد بخش مهندسی هسته‌ای، هوافضا و مکانیک
پژوهشگاه Rensselaer، تشخیص و ترمیم آسیب ناشی از فرسودگی، کارایی و ایمنی
اجزای ساختاری را در سیستم‌های مهندسی متنوع، تا حد قابل توجهی افزایش می‌دهد.
جزئیات این پروژه در مجله Applied Physics letters به چاپ رسیده‌است.
معمولاً اکثر نقایص موجود در هر ساختار مهندسی به ترک‌های ریز ناشی از
فرسودگی مربوط می‌شوند که به بخش‌های خطرناک رسیده، سرانجام کل ساختار را
به خطر می‌اندازند.
گروه Koratkar با استفاده از اپوکسید معمولی ساختاری را ساختند که یک درصد
از کل وزن آن را نانولوله کربنی چندجداره تشکیل می‌داد. آنها اپوکسید مایع
را به‌طور مکانیکی مخلوط کردند تا مطمئن شوند نانولوله‌های کربنی ضمن اینکه
در قالب خشک می‌شوند به‌طور مناسبی در تمامی ساختار پخش شدهاند، همچنین
سیم‌هایی را به‌صورت شبکه برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی و کنترل ولتاژ
اعمال‌شده به ساختار به درون آن وارد کردند. بدین ترتیب می‌توان با ارسال
مقدار کمی الکتریسیته به درون نانولوله‌های کربنی، مقاومت الکتریکی را بین
دو نقطه دلخواه روی هر سیم اندازه‌گیری کرد، سپس ترک کوچکی در ساختار ایجاد
کردند و مقاومت الکتریکی را بین نزدیک‌ترین نقاط اندازه‌گیری کردند. از
آنجایی که جریان الکتریکی برای رسیدن از نقطه‌ای به نقطه دیگر باید از
اطراف ترک عبور کند، مقاومت الکتریکی افزایش می‌یابد. هرچه طول ترک بیشتر
باشد مقاومت الکتریکی بین دو نقطه نیز بیشتر می‌شود.
Koratkar، مطمئن است که این روش برای ساختارهای بزرگ‌تر نیز مؤثر خواهد بود.
از آنجایی که نانولوله‌ها در سراسر ساختار به‌طور همزمان و یکنواخت وجود
دارند، این روش می‌تواند با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی و بدون نیاز به
افزودن حسگرهای خارجی یا ابزارهای الکترونیکی گمراه‌کننده برای بررسی هر
قسمت مورد استفاده قرار گیرد. این حسگرها در واقع جزء لازم ساختارند و
اجازه بازنگری هر بخش از ساختار را می‌دهند.
Koratkar می‌گوید:” روش جدید تشخیص ترک در نهایت می‌تواند بسیار مقرون‌به‌صرفه
و رایج‌تر از حسگرهای ماورای صوتی است که امروزه استفاده می‌شوند، همچنین
از این سیستم می‌توان در حین کار تجهیزات، برای بررسی آنها استفاده کرد؛ در
حالی که حسگرهای صوتی واحدهایی خارجی هستند که به زمان زیادی برای
تصویربرداری تمام نواحی سطحی یک ساختار ساکن نیاز دارند.
با تشخیص ترک، می‌توان ولتاژ عبوری از سرتاسر نانولوله‌های کربنی را در
نقطه خاصی در شبکه افزایش داد. این ولتاژ اضافی با تولید گرما، عامل ترمیم‌کننده
را ذوب کرده، آن را با اپوکسی مخلوط می‌کند. این محققان نشان دادند که
ساختارهای تعمیرشده، حدود ۷۰ درصد استحکام ساختار اولیه(ساختار بدون ترک)
را دوباره به دست می‌آورند و برای جلوگیری از بروز یک نقص ساختاری فاجعه‌آمیز
یا کامل به اندازه کافی مستحکم می‌شوند.
این روش، یکی از روش‌های مؤثر برای غلبه بر ترک‌های ریز و شکل غیر معمولی
از آسیب ساختاری، به نام لایه‌لایه شدن است. مطلب مهم درباره این کاربرد
جدید این است که ما از نانولوله‌های کربنی نه تنها برای تشخیص ترک، بلکه
برای ترمیم آن نیز استفاده می‌کنیم.
این سیستم امکان بازنگری همزمان تمام ساختار را برای متصدی فراهم می‌کند و
وجود ترک یا لایه‌لایه شدن را با تغییر در مقاومت الکتریکی در نقاط خاصی از
ساختار آشکار می‌کند. این سیستم به افزایش عمر، ایمنی و کم‌هزینه‌تر شدن
ساختارهای پلیمری ـ که معمولاً به جای فلزات در جاهایی که وزن یک عامل مهم
است، استفاده می‌شوند ـ کمک خواهد کرد.
هنوز نقش نانولوله‌های کربنی در توقف سرعت رشد ترک‌های ریز در ساختارهای
پلیمری مشخص نیست. همینک این گروه تحقیقاتی، بر روی اصلاح و بهبود این
سیستم، توسعه مقیاس آن به ساختارهای بزرگ‌تر و توسعه فناوری اطلاعات جدید
برای بهتر شدن جمع‌آوری، تجزیه و تحلیل داده‌های مقاومت الکتریکی ایجادشده
از شبکه و نانولوله‌های کربنی جاسازی‌شده، کار می‌کنند.
|
