Зонд, известный как механофор, может ускорить тестирование продукта и потенциально сократить количество времени и материалов, необходимых для разработки многих видов новых композитов.Команда NIST создала свой зонд из красителя, известного как родамин спиролактам (RS), который переходит из темного состояния в светлое в ответ на приложенную силу.
В этом эксперименте молекула была прикреплена к шелковым волокнам, содержащимся внутри композита на основе эпоксидной смолы. По мере того, как к композиту прилагалось все больше и больше силы, напряжение и деформация активировали RS, заставляя его флуоресцировать при возбуждении лазером. Хотя это изменение не было видно невооруженным глазом, красный лазер и микроскоп, созданный и разработанный NIST, использовались для фотографирования внутри композита, показывая даже самые мелкие разрывы и трещины в его внутренней части, а также выявляя точки, где находилось волокно. сломан. Результаты были опубликованы сегодня в журнале Advanced Materials Interfaces.
Материалы, используемые в конструкции композитов, разнообразны. В природе такие композиты, как панцирь краба или бивень слона (кость), состоят из белков и полисахаридов.
В этом исследовании эпоксидная смола была объединена с шелковыми нитями, подготовленными группой профессора Фрица Воллрата из Оксфордского университета с использованием шелковых червей Bombyx mori. Армированные волокном полимерные композиты, такие как тот, который использовался в этом исследовании, сочетают в себе наиболее полезные аспекты основных компонентов — прочность волокна и ударную вязкость полимера.
Что общего у всех композитов, так это наличие интерфейса, в котором компоненты встречаются. Устойчивость этого интерфейса имеет решающее значение для способности композитного материала противостоять повреждениям. Дизайнеры и производители часто отдают предпочтение тонким, но гибким интерфейсам, но очень сложно измерить межфазные свойства композита.
«Способы измерения макроскопических свойств композитов существуют уже давно, — сказал исследователь Джеффри Гилман, возглавлявший группу, выполняющую работу в NIST. «Но на протяжении десятилетий задача заключалась в том, чтобы определить, что происходило внутри, на границе раздела».Один из вариантов — оптическое отображение. Однако обычные методы получения оптических изображений позволяют записывать изображения только в масштабе 200-400 нанометров. Некоторые интерфейсы имеют толщину всего от 10 до 100 нанометров, что делает такие методы несколько неэффективными для визуализации межфазной границы в композитах.
Установив RS-зонд на интерфейсе, исследователи смогли «увидеть» повреждения исключительно на интерфейсе с помощью оптической микроскопии.Исследовательская группа NIST планирует расширить свои исследования, чтобы изучить, как такие зонды могут быть использованы и в других видах композитов.
Они также хотели бы использовать такие датчики, чтобы повысить способность этих композитов противостоять экстремальным холоду и жаре. Огромный спрос на композиты, которые также могут выдерживать длительное воздействие воды, особенно для использования при строительстве более устойчивых компонентов инфраструктуры, таких как мосты и гигантские лопасти для ветряных турбин.
Исследовательская группа планирует продолжить поиск дополнительных способов использования датчиков повреждения, таких как тот, который описан в этом исследовании, для улучшения стандартов для существующих композитов и создания новых стандартов для композитов будущего, гарантируя, что эти материалы будут безопасными, прочными и надежными. .«Теперь у нас есть датчик повреждений, который помогает оптимизировать композит для различных применений», — сказал Гилман. «Если вы попытаетесь изменить дизайн, вы сможете выяснить, улучшило ли внесенное вами изменение интерфейс композита или ослабило его».