Vermoeiing composieten sneller detecteren

Sinds de jaren zestig van de vorige eeuw experimenteren wetenschappers met manieren om vezelversterkte polymeren lichter en sterker te maken. Dit betekende vooral dat de verbinding tussen vezel en hars moest worden getest. Al in een eerder stadium heeft het NIST-team kleine moleculen toegevoegd die beginnen te fluoresceren na uitoefening van een mechanische kracht. Deze ‘mechanoforen’ veranderen van kleur of lichten op, waardoor kleine nanometergrote openingen of scheuren tussen de vezel en de hars kunnen worden gedetecteerd.

Mechanofoor

Het NIST-team heeft nu de mechanofoor in de composiethars weten te integreren. Met speciale beeldverwerkingstechnieken kan nu eventuele schade worden gemeten. Hierbij wordt een minieme hoeveelheid (minder dan 0,1% (massa)) van de fluorescerende kleurstof rhodamine gebruikt, die de fysische eigenschappen van het materiaal niet merkbaar beïnvloed. Met de nieuwe mechanofoor ingebed in het composietmateriaal, wordt goedkoop en regelmatig veldonderzoek mogelijk. Windturbines kunnen zo veelvuldig op inwendige scheuren worden gecontroleerd, ook jaren nadat ze zijn geïnstalleerd.

Verrassing

De eerste werkzaamheden met dit nieuwe gereedschap brachten ook een verrassing aan het licht over composietschade. Een vezel die breekt, stuurt een soort ‘schokgolf’ door het materiaal heen, legt Jeremiah Woodcock. Hij is hoofdauteur van het paper Damage sensing using a mechanophore crosslinked epoxy resin in single-fiber composites over de nieuw ontwikkelde mechanofoor. Het artikel is verschenen in Composites Science and Technology.

In het verleden werd aangenomen dat de meeste schade optrad bij de locatie van de breuk. "We dachten dat als we naar de resultaten zouden kijken, we een lichtkrans rond de scheur zouden zien zijn, door de fluorescentie van de mechanofoor." In plaats daarvan vonden ze schade op plaatsen die zeer ver verwijderd zijn van het punt van de vezelbreuk. "Het is alsof we wisten van de aardbeving, maar niet van de tsunami erna."

Overdimensionering voorkomen

Uit het onderzoek bleek ook dat bestaande tests onbedoeld de sterkte van het materiaal aantasten. Dat leidt weer tot overdimensionering door ontwerpers en constructeurs . Het gebruik van de mechanofoor zou daarom kunnen leiden tot lagere energie- en productiekosten. Het zou bovendien het gebruik van composieten in de industrie verder kunnen bevorderen.