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

Waterstof is een schone brandstof die brandt zonder koolstofemissies te produceren, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor het aandrijven van toekomstige voertuigen en ruimtevaartuigen. Om het echter effectief te kunnen gebruiken, moeten ingenieurs enorme hoeveelheden ervan opslaan in tanks die zowel ongelooflijk licht als sterk genoeg zijn om het gas onder enorme druk of bij vrieskou vast te houden. De meest geavanceerde opslagtanks zijn gemaakt van lagen koolstofvezel omwikkeld met een taai kunststof hars. Hoewel deze materialen lichter zijn dan metaal, hebben ze een verborgen zwakte: wanneer de temperatuur daalt tot de extreme kou die nodig is om vloeibare waterstof op te slaan, krimpen de verschillende materialen in de tank met verschillende snelheden. Deze mismatch creëert minuscule scheurtjes in het plastic tussen de lagen vezels. Na verloop van tijd kunnen deze scheurtjes aan elkaar koppelen om paden te vormen waardoor de waterstof kan ontsnappen, wat potentieel kan leiden tot het falen van de tank. Wetenschappers werken aan manieren om deze tanks "zelfhelend" te maken, wat betekent dat ze deze kleine scheurtjes automatisch kunnen repareren wanneer ze worden opgewarmd, net zoals een wond op de huid geneest wanneer de natuurlijke processen van het lichaam de wond sluiten.

Onderzoekers aan Queen Mary University of London en Graphene Innovations Manchester zetten zich in om een specifiek puzzelstukje op te lossen met betrekking tot de bouw van deze zelfhelende tanks. Ze wisten dat het toevoegen van een speciale kunststof genaamd ethyleen-methacrylzuur (EMAA) kon helpen om het materiaal zelf te repareren wanneer het wordt verhit, maar ze waren onzeker over waar deze helende kunststof geplaatst moest worden om het beste te werken in de extreem koude cryogene omgeving. Ze testten twee zeer verschillende manieren om deze kunststof in de koolstofvezellagen aan te brengen. In de eerste methode plaatsten ze een doorlopende plaat van de helende kunststof direct in het midden van de stapel, zoals een laag boter tussen twee sneden brood. In de tweede methode sproden ze minuscule deeltjes van dezelfde kunststof direct op het oppervlak van de koolstofvezels voordat de lagen werden gestapeld, waardoor een verspreide distributie van helend materiaal door de gehele structuur ontstond. Door deze twee ontwerpen onder dezelfde omstandigheden te testen, wilden de onderzoekers ontdekken welke opstelling de tank het sterkst en het meest bestand tegen schade zou houden na herhaalde cycli van bevriezen en opwarmen.

Het team maakte monsters van koolstofvezelversterkte kunststof met beide methoden en onderwierp deze aan rigoureuze tests. Eerst trokken ze de monsters uit elkaar bij kamertemperatuur om te zien hoe stijf en sterk ze waren. Zoals verwacht maakte het toevoegen van de helende kunststof het materiaal iets minder stijf en sterk dan een standaard, ongewijzigd monster, omdat de kunststof zachter is dan de epoxyhars die het verving. Echter, toen de onderzoekers de monsters afkoelden tot de temperatuur van vloeibaar stikstof, die ongeveer min 196 graden Celsius is, veranderde het gedrag drastisch. Alle monsters werden veel stijver en sterker, een veelvoorkomende reactie voor deze materialen in de kou. Interessant genoeg herwon het monster met de gespoten deeltjes zijn oorspronkelijke sterkte, waarbij het de prestaties van het ongewijzigde materiaal evenaarde, terwijl het monster met de middelste plaat iets zwakker bleef. Dit suggereerde dat het verspreiden van de helende deeltjes over de vezeloppervlakken het materiaal hielp om de initiële spanning van de kou beter aan te kunnen dan het hebben van een enkele dikke laag in het midden.

De echte test kwam echter toen de onderzoekers de herhaalde schade en het herstel simuleerden dat een echte waterstoftank zou ervaren. Ze belastten de monsters, warmden ze op om de helende kunststof te laten smelten en in de scheuren te laten stromen, koelden ze weer af en herhaalden deze cyclus vier keer. Bij kamertemperatuur verloren de ongewijzigde monsters meer dan de helft van hun stijfheid aan het einde van de test, terwijl de zelfhelende monsters het grootste deel van hun sterkte behielden. Het monster met de middelste plaat van kunststof presteerde het best en behield bijna 90 procent van zijn oorspronkelijke stijfheid, terwijl het gespoten monster ongeveer 70 procent behield. Wanneer het team deze brute cyclus onder cryogene omstandigheden herhaalde, werd het verschil nog kritieker. De ongewijzigde monsters faalden volledig voordat ze de vierde cyclus konden voltooien, doordat ze uit elkaar braken door de cumulatieve schade. In tegenstelling hiertoe overleefden beide zelfhelende ontwerpen alle vier de cycli. Het monster met de middelste plaat van kunststof overleefde niet alleen, maar kwam zelfs sterker uit de test dan voorheen, waarbij het een uiteindelijke sterkte vertoonde die zelfs hoger was dan de oorspronkelijke sterkte vóór de schade begon. Het rekte zich ook veel verder uit voordat het brak, wat erop wijst dat het flexibeler en veerkrachtiger was geworden na het helingsproces.

Om te begrijpen waarom de middelste plaat veel beter werkte in de kou, bekeken de onderzoekers de gebroken stukken nauwkeurig onder een microscoop. De ongewijzigde monsters vertoonden een chaotische bende van scheuren die zich door alle lagen hadden verspreid, waardoor een netwerk van schade ontstond dat het materiaal niet kon repareren. De gespoten monsters vertoonden enige verbetering, waarbij de gesmolten kunststofdeeltjes hielpen om kleine openingen te overbruggen, maar de schade was nog steeds verspreid door het materiaal. Het monster met de middelste plaat vertelde echter een ander verhaal. De doorlopende laag helende kunststof fungeerde als een toegewezen zone die de schade absorbeerde. Wanneer het materiaal werd verhit, stroomde deze laag en verbond de gescheiden delen opnieuw, waardoor de scheuren effectief werden gesloten en de structurele integriteit van het gehele paneel werd hersteld. De onderzoekers observeerden dat de kunststof in deze middelste laag zelfs iets naar de randen toe naar buiten was geperst tijdens het helingsproces, wat bewees dat het gesmolten was en bewoog om de holtes op te vullen. Deze continue stroming stelde het materiaal in staat om zijn vermogen om een last te dragen veel beter te herstellen dan de verspreide deeltjes konden.

De studie concludeert dat hoewel beide methoden voor het toevoegen van zelfhelende kunststof de duurzaamheid van koolstofvezeltanks verbeteren, de locatie van die kunststof de doorslaggevende factor is voor de prestaties in extreme kou. Het plaatsen van een doorlopende plaat in het midden van de lagen biedt de meest effectieve bescherming tegen de herhaalde scheurvorming veroorzaakt door vriezen en dooien. Deze aanpak houdt het materiaal niet alleen ervan weer uit elkaar te breken, maar helpt het ook om na elke cyclus zijn sterkte en flexibiliteit terug te winnen. Hoewel de onderzoekers in dit specifieke experiment de gaslekkage niet direct hebben gemeten, suggereert het feit dat het ontwerp met de middelste plaat de vorming van een verbonden netwerk van scheuren voorkwam, dat het ook zeer effectief zal zijn in het stoppen van het lekken van waterstof. Deze bevinding biedt een duidelijk pad vooruit voor ingenieurs die de volgende generatie lichtgewicht, veilige en herbruikbare waterstofopslagtanks voor voertuigen en ruimtevaartuigen ontwerpen, waarbij laat zien dat een eenvoudige verandering in de rangschikking van het helende materiaal een fundamenteel verschil kan maken in hoe goed de tank bestand is tegen de meest barre omgevingen.