Одним из классов умных материалов являются самовосстанавливающиеся материалы, способные ощущать повреждения. Он может восстанавливаться самостоятельно или под внешней стимуляцией. Этот тип материала имитирует способность живых организмов к самовосстановлению и обладает революционным потенциалом в области техники. Это значительно продлевает срок службы изделия, повышает безопасность и снижает затраты на техническое обслуживание. От микроскопических капсул до макроскопических сетевых структур технология самовосстановления переходит из лаборатории в практическое применение, меняя способы проектирования и производства продукции.
Что такое самовосстанавливающиеся материалы
Основная характеристика самовосстанавливающихся материалов заключается в том, что они могут частично или полностью восстанавливать свои первоначальные механические свойства или функции после физического повреждения. Этот процесс восстановления может быть запущен автоматически или с помощью внешних раздражителей, таких как тепло, свет или давление. Механизм самовосстановления материалов обычно основан на заранее установленных восстанавливающих агентах или обратимых химических связях.
По различиям в механизмах ремонта самовосстанавливающиеся материалы в основном делятся на две категории. Двумя категориями являются: тип иностранной помощи и внутренний тип. Внутри вспомогательного материала имеются микрокапсулы или сети кровеносных сосудов. При повреждении материала ремонтный агент высвобождается и заполняет трещины. Внутренние материалы полагаются на обратимые химические реакции или физические взаимодействия самих молекул материала для восстановления, например, материальные системы, основанные на водородных связях, ионных взаимодействиях или реакциях Дильса-Альдера.
Какие виды самовосстанавливающихся материалов существуют?
К распространенным типам самовосстанавливающихся материалов в настоящее время относятся самовосстанавливающиеся материалы на полимерной основе, самовосстанавливающийся бетон на основе цемента и металлические самовосстанавливающиеся покрытия. Среди полимерных материалов относительно развитыми являются системы микрокапсулированных эпоксидных смол. Капсулы содержат мономеры или катализаторы. После разрыва они полимеризуются для ремонта трещин. В самовосстанавливающемся бетоне в основном используются бактерии или минеральные добавки. Когда он сталкивается с водой, он образует осадок карбоната кальция, заполняющий микротрещины.
Есть еще один важный тип — самовосстанавливающиеся эластомеры и гели, которые обеспечивают многократное восстановление с помощью динамических ковалентных связей или супрамолекулярных сил. Кроме того, в области умных покрытий были разработаны самовосстанавливающиеся антикоррозионные покрытия. Когда покрытие царапается, ингибитор коррозии или восстанавливающий агент высвобождается и образует защитный слой. Самовосстанавливающиеся материалы на основе металлов все еще находятся на ранних стадиях исследований, и ремонт в основном достигается за счет фазового изменения сплавов с памятью формы или легкоплавких сплавов.
Как самовосстанавливающиеся материалы восстанавливают повреждения
В системах самовосстановления с внешней помощью процесс восстановления начинается с разрыва микрокапсул или кровеносных сосудов, вызванного повреждением системы. Например, если он находится внутри полимерного композита, расширение трещин приведет к проколу микрокапсул, диспергированных в матрице, тем самым высвобождая жидкий ремонтный мономер. Затем мономеры полимеризуются в присутствии катализатора, повторно связывая две стороны трещины, в конечном итоге восстанавливая непрерывность и частичную прочность материала.
Типы, которые не содержат предварительно встроенных ремонтных агентов, по своей сути являются самовосстанавливающимися. Возьмем термообратимые полимеры на основе реакции Дильса-Альдера. При нагреве материала обратимые ковалентные связи в месте расположения трещины разрушаются и текучесть материала увеличивается. После охлаждения эти связи образуются снова для достижения заживления. Некоторые эластомеры полагаются на физические эффекты, такие как водородные связи, для повторного запутывания с диффузией сегментов цепи при нормальной температуре или умеренном нагревании и, наконец, завершения ремонта.
В каких сферах можно использовать самовосстанавливающиеся материалы?
Что касается самовосстанавливающихся материалов, важной областью их применения является авиакосмическая промышленность. Композитные детали самолетов склонны к микротрещинам, что может легко привести к катастрофическим отказам. Встроенная система самовосстановления позволяет вовремя устранить повреждения и избежать катастрофических сбоев. Это также может значительно сократить время и затраты на наземное обслуживание. Применение таких материалов для обшивки фюзеляжа, крыльев и компонентов двигателя может значительно повысить безопасность и экономичность полета.
В сфере инфраструктуры самовосстанавливающийся бетон выполняет функцию автоматического ремонта микротрещин в мостах, туннелях и зданиях, что может значительно продлить срок службы конструкции. В области электроники самовосстанавливающиеся проводящие материалы можно использовать в гибких дисплеях и растягиваемых схемах для повышения долговечности устройств. Автомобильная промышленность также исследует самовосстанавливающиеся покрытия и материалы для шин, способные противостоять повседневным царапинам и износу. И предоставьте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
Каковы преимущества и недостатки самовосстанавливающихся материалов?
Целью является повышение надежности продукции, что является одним из основных преимуществ самовосстанавливающихся материалов. Это также может продлить срок службы и снизить стоимость всего жизненного цикла. Это также является основным преимуществом. Это снижает необходимость в ручных проверках. Это снижает потребность в обслуживании и особенно подходит для труднодоступных сред, например, для космического оборудования. Он также особенно подходит для сред повышенного риска, таких как глубоководные кабели или компоненты атомных электростанций. Кроме того, материал обладает способностью к самовосстановлению, что помогает добиться устойчивого развития. Это может сократить потребление ресурсов, а также уменьшить образование отходов.
Однако самовосстанавливающиеся материалы по-прежнему сталкиваются с проблемами. Эффективность ремонта обычно не может достигать 100%. Большинство материалов способны устранить только трещины микронного уровня. Количество ремонтов ограничено, а после множественных повреждений производительность снизится. Стоимость производства относительно высока, процесс сложен, а некоторые виды ремонта требуют затрат внешней энергии. Кроме того, часто существует компромисс между механическими свойствами материала и ремонтопригодностью. Ремонтопригодность высокопрочных материалов может быть относительно слабой.
Как будут развиваться самовосстанавливающиеся материалы в будущем?
В будущем самовосстанавливающиеся материалы будут развиваться в направлении многофункциональности и интеллекта. Материалы следующего поколения способны не только устранять механические повреждения, но и восстанавливать электропроводность, теплопроводность, оптику или антикоррозионные функции. В настоящее время исследователи разрабатывают материалы с более точными реакциями на стимулы, такие как системы, которые генерируют реакцию восстановления только на определенные длины волн света или изменения значения pH, чтобы обеспечить восстановление по требованию.
Существует тенденция разработки типа самовосстанавливающихся материалов, которые полностью автономны и не требуют внешнего вмешательства, а скорость и эффективность их ремонта должны быть улучшены. Крупномасштабные и недорогие производственные процессы станут ключом к коммерциализации. С развитием 3D-печати и нанотехнологий мы можем рассчитывать на создание более сложных и эффективных самовосстанавливающихся структур. Эти самовосстанавливающиеся структуры будут широко использоваться в новых областях, таких как биомедицинские имплантаты, мягкие роботы и устройства хранения энергии.
Как вы думаете, в какой области повседневной жизни (например, в экранах мобильных телефонов, автомобильной краске и покрытиях для мебели) технология самовосстанавливающихся материалов первой достигнет широкомасштабного широкого продвижения? Вы можете поделиться своим мнением в области комментариев. Если статья оказалась для вас полезной, поставьте лайк и перешлите ее!
Добавить комментарий