Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

يعتبر الهيدروجين وقوداً نظيفاً يحترق دون إنتاج انبعاثات كربونية، مما يجعله مرشحاً واعداً لتزويد المركبات والمركبات الفضائية بالطاقة في المستقبل. ومع ذلك، لاستخدامه بفعالية، يجب على المهندسين تخزين كميات هائلة منه في خزانات قوية وخفيفة الوزن للغاية لتتحمل الغاز تحت ضغط هائل أو في درجات حرارة متجمدة. تُصنع أكثر خزانات التخزين تطوراً من طبقات من ألياف الكربون الملفوفة براتنج بلاستيكي متين. ورغم أن هذه المواد أخف وزناً من المعدن، إلا أن لها نقطة ضعف خفية: فعندما تنخفض درجة الحرارة إلى البرودة الشديدة المطلوبة لتخزين الهيدروجين السائل، تتقلص المواد المختلفة داخل الخزان بمعدلات متفاوتة. هذا التفاوت يخلق شقوقاً صغيرة في البلاستيك الموجود بين الطبقات. ومع مرور الوقت، يمكن لهذه الشقوق أن تتصل لتشكل مسارات تسمح بتسرب الهيدروجين، مما قد يؤدي إلى فشل الخزان. وقد عمل العلماء على طرق لجعل هذه الخزانات "ذاتية الشفاء"، مما يعني قدرتها على إصلاح هذه الشقوق الصغيرة تلقائياً عند تسخينها، تماماً كما يلتئم الجرح في الجلد عندما تقوم العمليات الطبيعية للجسم بإغلاق الجرح.

وضع باحثون من جامعة كوين ماري في لندن وشركة "جرافين إنوفيشنز مانشستر" هدفهم لحل لغز محدد يتعلق بكيفية بناء هذه الخزانات ذاتية الشفاء. لقد علموا أن إضافة بلاستيك خاص يسمى "إيثيلين ميثاكريليك أسيد" (EMAA) يمكن أن يساعد المادة على إصلاح نفسها عند التسخين، لكنهم لم يكونوا متأكدين من المكان الأمثل لوضع هذا البلاستيك ليعمل بشكل أفضل في البيئة شديدة البرودة (الكريوجينية). اختبروا طريقتين مختلفتين تماماً لوضع هذا البلاستيك في طبقات ألياف الكربون. في الطريقة الأولى، أدخلوا طبقة مستمرة من البلاستيك الشافي في منتصف المجموعة، مثل وضع طبقة من الزبدة بين شريحتين من الخبز. وفي الطريقة الثانية، رشوا جزيئات صغيرة من نفس البلاستيك مباشرة على سطح ألياف الكربون قبل تكدیس الطبقات، مما خلق توزيعاً متناثراً لمادة الشفاء في الهيكل بأكم. ومن خلال اختبار هذين التصميمين تحت نفس الظروف، هدف الفريق إلى اكتشاف أي ترتيب سيحافظ على قوة الخزان ومقاومته للضرر بعد دورات متكررة من التجمد والتدفئة.

قام الفريق بإنشاء عينات من البلاستيك المقوى بألياف الكربون باستخدام كلتا الطريقتين وأخضعوها لاختبارات صارمة. أولاً، قاموا بشد العينات بعيداً عن بعضها البعض في درجة حرارة الغرفة لمعرفة مدى صلابتها وقوتها. وكما كان متوقعاً، فإن إضافة البلاستيك الشافي جعلت المادة أقل صلابة وقوة من العينة القياسية غير المعدلة لأن البلاستيك ألين من راتنج الإيبوكسي الذي حل محله. ومع ذلك، عندما قام الباحثون بتبريد العينات إلى درجة حرارة النيتروجين السائل، والتي تبلغ حوالي ناقص 196 درجة مئوية، تغير السلوك بشكل كبير. أصبحت جميع العينات أكثر صلابة وقوة، وهو رد فعل شائع لهذه المواد في البرد. ومن المثير للاهتمام أن العينة التي تحتوي على الجزيئات المرشوشة استعادت قوتها الأصلية، مطابقةً أداء المادة غير المعدلة، بينما ظلت العينة ذات الطبقة الوسطى أضعف قليلاً. وهذا يشير إلى أن توزيع جزيئات الشفاء عبر أسطح الألياف ساعد المادة على تحمل الإجهاد الأولي للبرد بشكل أفضل من وجود طبقة سميكة واحدة في المنتصف.

إلا أن الاختبار الحقيقي جاء عندما قام الباحثون بمحاكاة الضرر والشفاء المتكرر الذي قد يواجهه خزان الهيدروجين الحقيقي. قاموا بتحميل العينات، ثم رفعوا درجة حرارتها للسماح للبلاستيك الشافي بالذوبان والتدفق داخل أي شقوق، ثم بردوها مرة أخرى، وكرروا هذه الدورة أربع مرات. في درجة حرارة الغرفة، فقدت العينات غير المعدلة أكثر من نصف صلابتها بنهاية الاختبار، بينما حافظت العينات ذاتية الشفاء على معظم قوتها. أدت العينة ذات الطبقة البلاستيكية الوسطى أفضل أداء، حيث احتفظت بنحو 90 بالمائة من صلابتها الأصلية، بينما احتفظت العينة المرشوشة بنحو 70 بالمائة. وعندما كرر الفريق هذه الدورة القاسية في الظروف الكريوجينية، أصبح الفرق أكثر حرجاً. فشلت العينات غير المعدلة تماماً قبل أن تنهي الدورة الرابعة، حيث تفتتت بسبب الضرر المتراكم. في المقابل، نجت كلا التصميمين ذاتيي الشفاء من الدورات الأربع. ولم تكتفِ العينة ذات الطبقة الوسطى بالنجاة فحسب، بل ظهرت أقوى مما كانت عليه، حيث أظهرت قوة نهائية كانت في الواقع أعلى من قوتها الأصلية قبل بدء الضرر. كما تمددت لمسافة أكبر بكثير قبل الانكسار، مما يشير إلى أنها أصبحت أكثر مرونة وقدرة على التحمل بعد عملية الشفاء.

لفهم سبب عمل الطبقة الوسطى بشكل أفضل في البرد، فحص الباحثون القطع المكسورة بدقة تحت المجهر. أظهرت العينات غير المعدلة فوضى عارمة من الشقوق التي انتشرت عبر جميع الطبقات، مما خلق شبكة من الضرر لم تستطع المادة إصلاحها. أظهرت العينات المرشوشة بعض التحسن، حيث ساعدت جزيئات البلاستيك المذابة في سد الفجوات الصغيرة، لكن الضرر كان لا يزال متناثراً في جميع أنحاء المادة. أما العينة ذات الطبقة الوسطى، فقد حكت قصة مختلفة؛ فقد عملت الطبقة المستمرة من البلاستيك الشافي كمنطقة مخصدة لامتصاص الضرر. وعند تسخين المادة، تدفقت هذه الطبقة وأعادت ربط الأجزاء المنفصلة، مما أغلق الشقوق بفعالية واستعاد السلامة الهيكلية للوحة بأكملها. لاحظ الباحثون أن البلاستيك في هذه الطبقة الوسطى قد خرج قليلاً عند الحواف أثناء عملية الشفاء، مما يثبت أنه ذاب وتحرك لملء الفراغات. هذا التدفق المستمر سمح للمادة باستعادة قدرتها على تحمل الأحمال بشكل أفضل بكثير من الجزيئات المتناثرة.

خلصت الدراسة إلى أنه بينما تعمل كلتا الطريقتين لإضافة البلاستيك ذاتي الشفاء على تحسين متانة خزانات ألياف الكربون، فإن موقع ذلك البلاستيك هو العامل الحاسم في الأداء في البرد الشديد. إن وضع طبقة مستمرة في منتصف الطبقات يوفر الحماية الأكثر فعالية ضد التصدع المتكرر الناتج عن التجمد والذوبان. هذا النهج لا يحافظ فقط على منع المادة من التفتت، بل يساعدها أيضاً على استعادة قوتها ومرونتها بعد كل دورة. وعلى الرغم من أن الباحثين لم يقيسوا تسرب الغاز مباشرة في هذه التجربة المحددة، إلا أن حقيقة أن تصميم الطبقة الوسطى منع تشكل شبكة متصلة من الشقوق تشير إلى أنه سيكون فعالاً جداً في منع تسرب الهيدروجين للخارج. يقدم هذا الاكتشاف مساراً واضحاً للمهندسين المصممين للجيل القادم من خزانات تخزين الهيدروجين خفيفة الوزن والآمنة والقابلة لإعادة الاستخدام للمركبات والمركبات الفضائية، موضحاً أن تغييراً بسيطاً في كيفية ترتيب مادة الشفاء يمكن أن يحدث فرقاً جذرياً في مدى قدرة الخزان على الصمود في أقسى البيئات.