Este cunoscut faptul că dezvoltarea și progresul în industria materialelor au condus la noi descoperiri în domeniu de-a lungul istoriei. În prezent, suntem într-o continuă dezvoltare a ceea ce înseamnă materialele compozite avansate.

Materialele compozite constituie o soluție tot mai des adoptată în realizarea structurilor performante, cu aplicabilitate în toate ramurile industriale. Implementarea acestora în diverse domenii, ca alternative avantajoase ale materialelor clasice, sau pentru obținerea de noi aplicații, altfel greu sau imposibil de realizat, ridică însă și o serie de probleme generate de structura deosebit de complexă a acestora și de posibilitățile de obținere, de comportamentul încă insuficient cunoscut la diverse solicitări.

În ultimele decenii, atenția comunității științifice a fost îndreptată asupra proiectării de materiale cu proprietăți de auto-reparare („self-healing”), acest lucru datorându-se supraexploatării resurselor naturale și materiilor prime, ce va duce la epuizarea acestora în viitor. De asemenea, odată cu trecerea timpului, componentele structurale care se regăsesc în cadrul unor sisteme de rezistență folosite în industrii precum cea de construcții, aerospațială sau chiar militară, sunt susceptibile la apariția fisurilor, iar propagarea acestora conduce inevitabil la scăderea rezistenței mecanice a materialului și implicit la cedarea structurii.

Practic, toate materialele sunt susceptibile la degradări naturale sau artificiale odată cu  trecerea timpului, iar, în cazul materialelor structurale, degradarea în timp a acestora duce la apariția micro-fisurilor cauzând deteriorarea materialului. Prin urmare, repararea este iminentă în vederea creșterii fiabilității și duratei de viață a materialelor.

Ideea implementării fenomenului de selfhealing în materialele de construcții (beton, ciment), în materialele metalice, ceramice și cele polimerice a fost inspirată din abilitatea sistemelor biologice (corpul uman, animal, vegetal) de a se vindeca, prin înmulțirea celulelor și regenerarea zonei afectate. Există astfel două metode de auto-reparare ce pot fi întâlnite în materialele sintetice: metoda autogenă și metoda autonomă.

Metoda de auto-reparare autogenă reprezintă fenomenul natural de reparare al sistemului afectat, fără intervenția omului. Un astfel de exemplu poate fi observat în longevitatea construcțiilor. Această longevitate este dată de prezența unor cantități ridicate de carbonat de calciu în cimentul folosit la ridicarea construcției, care, în prezența apei (ploaie, umiditate), este dizolvat și pătrunde apoi în cavitățile (fisurile) apărute, vindecând parțial sau total zona afectată și împiedicând propagarea fisurii.

O astfel de comparație, între auto-repararea unui sistem biologic și unul sintetic, poate fi observată mai jos:

tehnologia-materialelor-auto-reparare-stiinta-tehnica-1

Pe de altă parte, metoda de auto-reparare autonomă necesită integrarea în structura materialului a două componente: agentul de reparare și catalizatorul (sau inițiatorul de reacție). Aceste două componente pot fi introduse în material folosind trei sisteme:

  • microcapsule (20-200 μm)
  • tuburi capilare
  • un sistem micro-vascular.

În cadrul Institutului, este investigată posibilitatea aplicării acestui concept de autoreparare la materialele compozite polimerice armate cu fibre (de carbon/sticlă), încercând astfel prelungirea duratei de viață a componentelor din industriile de vârf, folosind sistemul cu micro-capsule și cel cu tuburi capilare. Integrarea conceptului de „self-healing” în domeniul materialelor compozite polimerice reprezintă o direcție de cercetare inovativă, care se dovedește a fi o metodă cu un potențial ridicat de îmbunătățire a durabilității materialelor.

În cazul utilizării microcapsulelor, sunt necesare două componente:

  • agentul de reparare – diciclopentadiena (DCPD) – care este înglobat în micro-capsulă
  • inițiatorul de reacție – catalizatorul Grubbs, dispersat în matricea materialului compozit.

tehnologia-materialelor-auto-reparare-stiinta-tehnica-2Fenomenul de auto-reparare este ușor de înțeles: în momentul apariției unei fisuri în structura materialului compozit, micro-capsulele ce se află pe direcția propagării acestor fisuri sunt rupte, iar  agentul de reparare este eliberat în matrice, unde, la contactul cu catalizatorul, are loc o reacție de polimerizare locală, care închide fisura și oprește propagarea acesteia.

Desigur, prin repararea structurii, rezistența mecanică a materialului nu este recuperată 100%, însă posibilitatea obținerii unui procent de cel puțin 75% este foarte încurajator, în vederea longevității structurii. De asemenea, dimensiunile micro-capsulelor sunt redate de procesul tehnologic de realizare a acestora, putând avea dimensiuni între 20 μm și 200 μm.

Cu cât cantitatea de micro-capsule și catalizator este integrată în structura materialului, cu atât cantitatea de matrice va scade, ceea ce duce și la o scădere implicită a proprietăților materialului. Prin urmare, în structura în care vor fi introduse aceste elemente de auto-reparare trebuie identificate zonele în care apar tensiuni și solicitări mari, pentru depozitarea locală a acestor elemente de reparare.

tehnologia-materialelor-auto-reparare-stiinta-tehnica-3

 

A doua variantă cercetată în cadrul Institutului pentru repararea structurilor compozite avansate este utilizarea tuburilor capilare (tuburi goale). Principiul de funcționare a acestei metode este asemănător cu sistemul ce utilizează micro-capsulele, însă prin utilizarea tuburilor capilare sunt posibile reparări multiple, iar zona de acoperire este mai mare.

Aceste tuburi sunt confecționate din fibre de sticlă borosilicatică cu diametru cuprins între 30 și 100 μm. Unii cercetători afirmă că, prin utilizarea acestei metode de auto-reparare, se poate recupera până la 97% din rezistența la încovoiere a materialului. Un astfel de sistem ce utilizează tuburi capilare este reprezentat mai jos:

tehnologia-materialelor-auto-reparare-stiinta-tehnica-4

Cea de-a treia variantă a aplicării conceptului de self-healing la materialele compozite polimerice, este integrarea unui sistem cu rețele de tip vascular. Acest sistem mimează sistemul vascular biologic al plantelor și al animalelor. Această abordare se bazează pe o rețea centralizată pentru distribuirea agentului de reparare în sistemele polimerice, în mod continuu.

Procesul de fabricație al acestor rețele este unul complex și este foarte dificil să se obțină materiale sintetice cu un astfel de sistem pentru utilizarea în aplicații practice. Pentru fabricarea unor astfel de rețele vasculare este utilizat un material organic (cerneală organică). În timpul procesului de fabricație, cerneala organică este depozitată după un model 3D și interstițiile dintre liniile de cerneală sunt infiltrate cu o rășină epoxidică.

Odată ce polimerul este reticulat, cerneala este îndepărtată rămânând doar canalele micro-vasculare 3D interconectate. Putem spune astfel că sistemele pe bază de capsule pot regenera fisuri de dimensiuni mici sau moderate (nanometrice/micronice) având în vedere conținutul limitat al fracției volumice de agent de reparare, urmate de tuburile capilare care pot regenera fisuri multiple.

Sistemele vasculare pot livra un agent de reparare în fisuri atât de dimensiuni mici, cât și mari (nanometrice-milimetrice), cu limita inferioară stabilită în funcție de dimensiunea fisurilor care trebuie să fie suficient de mare pentru a intersecta rețeaua vasculară. Având în vedere că rețelele vasculare pot fi completate, se presupune că limita superioară depășește cu mult limita de sisteme pe bază de micro-capsule.

Eficiența procesului de auto-reparare este determinată de mai mulți factori, cum sunt: cantitatea și tipul agentului de reparare, temperatura la care se desfășoară procesul de auto-reparare și gradul de degradare al materialului de bază (matrice).

tehnologia-materialelor-auto-reparare-stiinta-tehnica-5

În aceeași arie de cercetare, compania Airbus a realizat un raport intitulat „The Future by Airbus” în care a fost prezentată strategia de cercetare-dezvoltare și viziunea cu privire la viitorul aerospațial până în anul 2050. Dintre direcțiile de cercetare Airbus, enumerăm realizarea structurilor bionice, materiale polimerice și metalice cu memoria formei, materiale inteligente cu proprietăți de auto-curățare și auto-reparare și materiale multifuncționale, ecologice, ce pot fi reciclate în totalitate.

Este de menționat că dezvoltarea acestei noi direcții de cercetare, acumularea de cunoștințe și implicit experiență în domeniul materialelor compozite polimerice avansate, mai ales introducerea sistemelor de auto-reparare, plasează Institutul COMOTI pe lista partenerilor europeni viabili pentru viitoarele proiecte de cercetare, proiecte ce vor răspunde necesităților de cercetare identificate de către Comisia Europeană.

Este, de asemenea, foarte important să existe susținere pentru acest gen de cercetare la nivelul României și tendințele trasate de Comisia Europeană să fie transpuse în Strategia națională de cercetare, dezvoltare și inovare și să se creeze o interfață între domeniul ingineresc, social și medical.