Một nhóm kỹ sư từ Đại học Bang North Carolina và Đại học Houston gần đây đã thông báo rằng họ đã phát triển một loại vật liệu composite được gia cố bằng sợi mới có thể tự sửa chữa nhiều lần hơn 1.000 lần sau khi bị hư hỏng cấu trúc. Đồng thời, độ bền ban đầu của nó cao hơn đáng kể so với vật liệu composite truyền thống hiện đang được sử dụng để chế tạo các bộ phận chính như cánh máy bay và cánh tuabin gió. Nó đã được các nhà nghiên cứu mô tả là “người thay đổi cuộc chơi” trong nhiều ứng dụng quan trọng. Nhóm nghiên cứu tin rằng vật liệu này dự kiến ​​sẽ kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng của các thiết bị quan trọng như ô tô, máy bay, tàu vũ trụ và tua-bin gió.

Đột phá này hướng tới vấn đề "lỗi tách lớp" thường gặp trong vật liệu composite - trong quá trình sử dụng, cấu trúc phân lớp bên trong polyme gia cố bằng sợi (FRP) sẽ dần tách ra theo thời gian, dẫn đến nứt hoặc thậm chí gãy. Vật liệu mới có bề ngoài tương tự FRP truyền thống, nhưng cứng hơn trong thiết kế kết cấu và có thể ngăn chặn sự phân tách, lan truyền vết nứt và hư hỏng cấu trúc tổng thể một cách hiệu quả hơn.

Theo báo cáo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in ba chiều để nhúng một lớp trung gian "chất tự phục hồi" nhựa nhiệt dẻo có hoa văn cụ thể giữa các lớp của vật liệu composite, nhờ đó đạt được khả năng chống phân tách được tăng cường đáng kể. Lớp trung gian này được làm từ poly(ethylene-co-methacrylic acid) (EMAA), giúp tăng khả năng chống lại sự hư hỏng do bong tróc của vật liệu lên khoảng 2 đến 4 lần so với FRP thông thường, làm giảm đáng kể việc tạo ra vết nứt và hư hỏng cấu trúc.

Ngoài lớp giữa chất tự phục hồi, vật liệu này còn tích hợp lớp gia nhiệt gốc carbon. Thiết kế này được coi là một sự đổi mới quan trọng khác. Khi có dòng điện bên ngoài tác dụng, các lớp gia nhiệt này sẽ nóng lên và làm tan chảy lớp giữa EMAA, khiến nó chảy thành các vết nứt nhỏ, lấp đầy và "hàn" giao diện bị hư hỏng, đồng thời hoàn tất quy trình được gọi là "khắc phục nhiệt". Cơ chế này bắt nguồn từ sự tái vướng víu và tái cấu trúc các chuỗi polymer.

Để xác minh khả năng tự phục hồi của vật liệu mới này, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng môi trường sử dụng thực tế bằng cách áp dụng tải kéo và tạo ra các khuyết tật tách lớp nhân tạo có chiều dài khoảng 2 inch trong mẫu vật. Sau đó, nhóm đã kích hoạt quy trình tự phục hồi nhiều lần và lặp đi lặp lại thử nghiệm tải-hư hỏng-sửa chữa này trong tối đa 40 ngày, trong tổng số 1.000 chu kỳ để đánh giá khả năng duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của vật liệu trong các điều kiện sửa chữa và hư hỏng lặp đi lặp lại.

Kết quả thí nghiệm cho thấy vật liệu này vẫn có thể sửa chữa hiệu quả các hư hỏng bên trong sau nhiều vòng chu trình tự phục hồi hư hỏng và duy trì độ dẻo dai cao mà không bị suy giảm cấu trúc rõ ràng. Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đánh giá rằng nếu vật liệu này được áp dụng trên quy mô lớn trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, năng lượng tái tạo và ô tô, tuổi thọ của các bộ phận quan trọng dự kiến ​​sẽ được kéo dài từ hàng thập kỷ điển hình hiện nay lên hàng trăm năm.

Jack Turicek, tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết so với vật liệu composite truyền thống, vật liệu mới này bền hơn ngay từ đầu và có thể chịu được hư hỏng cấu trúc tốt hơn trong ít nhất 500 chu kỳ sửa chữa hư hỏng. Mặc dù độ dẻo dai của vật liệu sẽ giảm dần khi số lần sửa chữa tăng lên, nhưng quá trình phân hủy này diễn ra rất chậm, về mặt lý thuyết có thể kéo dài thời gian sử dụng hữu ích của các bộ phận liên quan lên khoảng 500 năm, trong khi tuổi thọ thông thường của vật liệu composite FRP truyền thống hầu hết chỉ là 15 đến 40 năm.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nếu vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật, nó sẽ giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì bằng cách kéo dài tuổi thọ của các bộ phận chính và giảm tần suất thay thế. Nó cũng sẽ giảm mức tiêu thụ năng lượng và phát thải chất thải rắn công nghiệp bằng cách giảm nhu cầu sản xuất và thay thế, điều này sẽ có ý nghĩa tích cực đối với việc quản lý chất thải công nghiệp và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, họ cũng nhấn mạnh rằng các thử nghiệm hiện tại vẫn chủ yếu được tiến hành trong môi trường phòng thí nghiệm và vật liệu cần phải trải qua quá trình thử nghiệm lâu dài trong điều kiện làm việc thực tế trước khi chúng thực sự có thể được coi là giải pháp kỹ thuật hoàn thiện và đáng tin cậy.