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

L'idrogeno è un combustibile pulito che brucia senza produrre emissioni di carbonio, il che lo rende un candidato promettente per alimentare i futuri veicoli e le astronavi. Per utilizzarlo efficacemente, tuttavia, gli ingegneri devono immagazzinarne grandi quantità in serbatoi che siano incredibilmente leggeri e abbastanza resistenti da contenere il gas sotto una pressione immensa o a temperature di gelo. I serbatoi più avanzati sono realizzati con strati di fibra di carbonio avvolti in una robusta resina plastica. Sebbene questi materiali siano più leggeri del metallo, hanno un punto debole nascosto: quando la temperatura scende al freddo estremo necessario per conservare l'idrogeno liquido, i diversi materiali all'interno del serbatoio si restringono a ritmi differenti. Questa discrepanza crea minuscole crepe nella plastica tra gli strati di fibra. Con il tempo, queste crepe possono collegarsi per formare percorsi che permettono all'idrogeno di fuoriuscire, causando potenzialmente il cedimento del serbatoio. Gli scienziati hanno lavorato a modi per rendere questi serbatoi "auto-riparanti", ovvero capaci di riparare queste minuscole crepe automaticamente quando vengono riscaldati, proprio come una ferita sulla pelle guarisce quando i processi naturali del corpo chiudono la lesione.

I ricercatori della Queen Mary University of London e della Graphene Innovations Manchester si sono posti l'obiettivo di risolvere un enigma specifico riguardante come costruire questi serboi auto-riparanti. Sapevano che l'aggiunta di una speciale plastica chiamata acido etilene-metacrilico (EMAA) avrebbe potuto aiutare il materiale a ripararsi stesso quando riscaldato, ma non erano sicuri di dove questa plastica riparatrice dovesse essere posizionata per funzionare al meglio nel ambiente criogenico di freddo estremo. Hanno testato due modi molto diversi di inserire questa plastica negli strati di fibra di carbonio. Nel primo metodo, hanno inserito un foglio continuo di plastica riparatrice proprio nel mezzo dello stack, come uno strato di burro tra due fette di pane. Nel secondo metodo, hanno spruzzato minuscole particelle della stessa plastica direttamente sulla superficie delle fibre di carbonio prima che gli strati venissero impilati, creando una distribuzione sparsa del materiale riparatore in tutta la struttura. Testando questi due design nelle stesse condizioni, il team mirava a scoprire quale disposizione avrebbe mantenuto il serbatoio più forte e più resistente ai danni dopo cicli ripetuti di congelamento e riscaldamento.

Il team ha creato campioni di plastica rinforzata con fibra di carbonio utilizzando entrambi i metodi e li ha sottoposti a test rigorosi. Per prima cosa, hanno tirato i campioni in modo opposto a temperatura ambiente per vedere quanto fossero rigidi e resistenti. Come previsto, l'aggiunta della plastica riparatrice rendeva il materiale leggermente meno rigido e resistente rispetto a un campione standard non modificato, poiché la plastica è più morbida della resina epossidica che ha sostituito. Tuttavia, quando i ricercatori hanno raffreddato i campioni alla temperatura dell'azoto liquido, che è di circa meno 196 gradi Celsius, il comportamento è cambiato drasticamente. Tutti i campioni sono diventati molto più rigidi e resistenti, una reazione comune per questi materiali nel freddo. Interessante è che il campione con le particelle spruzzate ha recuperato la sua forza originale, eguagliando le prestazioni del materiale non modificato, mentre il campione con il foglio centrale rimaneva leggermente più debole. Ciò suggeriva che la diffusione delle particelle riparatrici sulle superfici delle fibre aiutasse il materiale a gestire meglio lo stress iniziale del freddo rispetto ad avere un singolo strato spesso nel mezzo.

Il vero test, tuttavia, è arrivato quando i ricercatori hanno simulato il danno ripetuto e la guarigione che un vero serbatoio di idrogeno sperimenterebbe. Hanno caricato i campioni, li hanno riscaldati per lasciare che la plastica riparatrice fondesse e fluisse nelle crepe, li hanno raffreddati di nuovo e hanno ripetuto questo ciclo quattro volte. A temperatura ambiente, i campioni non modificati hanno perso più della metà della loro rigidità alla fine del test, mentre i campoli auto-riparanti hanno mantenuto la maggior parte della loro forza. Il campione con il foglio di plastica centrale è stato quello con le prestazioni migliori, mantenendo quasi il 90 percento della sua rigidità originale, mentre il campione spruzzato ne ha mantenuto circa il 70 percento. Quando il team ha ripetuto questo ciclo brutale in condizioni criogeniche, la differenza è diventata ancora più critica. I campioni non modificati sono falliti completamente prima di poter finire il quarto ciclo, rompendosi a causa del danno accumulato. Al contrario, entrambi i design auto-riparanti sono sopravvissuti a tutti e quattro i cicli. Il campione con il foglio di plastica centrale non solo è sopravvissuto, ma è emerso più forte di prima, mostrando una forza finale che era effettivamente superiore alla sua forza originale prima del danno. Si è anche allungato molto di più prima di rompersi, indicando che era diventato più flessibile e resiliente dopo il processo di guarigione.

Per capire perché il foglio centrale funzionasse molto meglio nel freddo, i ricercatori hanno esaminato da vicino i pezzi rotti sotto un microscopio. Gli campioni non modificati mostravano un caos di crepe che si erano diffuse attraverso tutti gli strati, creando una rete di danni che il materiale non poteva riparare. I campioni spruzzati mostravano un certo miglioramento, con le particelle di plastica fusa che aiutavano a colmare piccoli spazi, ma il danno era ancora disperso in tutto il materiale. Il campione con il foglio centrale, invece, raccontava una storia diversa. Lo strato continuo di plastica riparatrice agiva come una zona dedicata che assorbiva il danno. Quando il materiale veniva riscaldato, questo strato fluiva e ri-legava le parti separate, chiudendo efficacemente le crepe e ripristinando l'integrità strutturale dell'intero pannello. I ricercatori hanno osservato che la plastica in questo strato centrale era in realtà fuoriuscita leggermente ai bordi durante il processo di guarigione, provando che era fusa e si era mossa per riempire i vuoti. Questo flusso continuo ha permesso al materiale di recuperare la sua capacità di sostenere un carico molto meglio di quanto potessero fare le particelle sparse.

Lo studio conclude che, sebbene entrambi i metodi di aggiunta di plastica auto-riparante migliorino la durabilità dei serbatoi in fibra di carbonio, la posizione di tale plastica è il fattore decisivo per le prestazioni nel freddo estremo. Posizionare un foglio continuo nel mezzo degli strati fornisce la protezione più efficace contro le crepe ripetute causate dal congelamento e dallo scongelamento. Questo approccio non solo impedisce al materiale di rompersi, ma aiuta anche a recuperare la forza e la flessibilità dopo ogni ciclo. Sebbene i ricercatori non abbiano misurato direttamente la perdita di gas in questo esperimento specifico, il fatto che il design a foglio centrale abbia impedito la formazione di una rete connessa di crepe suggerisce che sarebbe anche molto efficace nel bloccare la fuoriuscita di idrogeno. Questa scoperta offre una strada chiara per gli ingegneri che progettano la prossima generazione di serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno leggeri, sicuri e riutilizzabili per veicoli e astronavi, dimostrando che un semplice cambiamento nel modo in cui il materiale riparatore è disposto può fare una differenza profonda nel modo in cui il serbatoio sopravvive agli ambienti più ostili.