Inteligentny kompozyt – autonomiczna diagnostyka wbudowana w materiał

Naukowcy z Politechniki Gdańskiej pod kierunkiem prof. Magdaleny Ruckiej Katedry Wytrzymałości Materiałów na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska pracują nad nową klasą inteligentnych materiałów o zaawansowanych właściwościach, które stwarzają szerokie możliwości w projektowaniu, eksploatacji i monitoringu konstrukcji do różnych zastosowań – od budownictwa po inżynierię biomedyczną.

Celem badań jest uzyskanie nowych właściwości materiału, takich jak samomonitorowanie, samonagrzewanie oraz samonaprawianie.

Sam kompozyt będzie metamateriałem, czyli takim materiałem, który uzyskuje swoje właściwości fizyczne dzięki strukturze, a nie tylko dzięki właściwościom swoich składników (przykładem metamateriału jest np. plaster miodu).

Materiał sam wykryje i zgłosi uszkodzenia

Opracowane zostaną dwa typy materiałów.

W pierwszym z nich, w matrycy polimerowej, zostaną wydrukowane ścieżki wykonane z materiału przewodzącego prąd z dodatkiem cząsteczek węgla.

Drugi typ materiału będzie wykorzystywał ciągłe włókna węglowe, które w procesie drukowania 3D zostaną osadzone w matrycy polimerowej.

– Tak uzyskane materiały, dzięki wbudowanej przewodności elektrycznej, będą mogły wykrywać swój stan naprężenia i zgłaszać potencjalne uszkodzenia, a w niektórych przypadkach także inicjować procesy naprawy, wykorzystując swoje właściwości przewodzące (przepływ prądu) do aktywowania mechanizmów regeneracji mikropęknięć – mówi prof. Magdalena Rucka.

Możliwości druku 3D

W ramach projektu naukowcy wykorzystają technologię druku 3D. Będą prowadzić badania m.in. z użyciem specjalistycznej drukarki 3D z ciągłym włóknem węglowym.

–  Najnowsze osiągnięcia w zakresie projektowania wspomaganego komputerowo i technologii produkcji addytywnej, zwanej powszechnie drukiem 3D, pozwalają na wytworzenie złożonych komponentów o precyzyjnie zaplanowanych parametrach – mówi prof. Magdalena Rucka. – Co więcej, wykorzystanie druku 3D pozwala nam pójść krok dalej, właśnie w kierunku wbudowania systemu „czujników” bezpośrednio w materiał. Kompozyty wytwarzane tą metodą mogą dodatkowo pełnić funkcję nanogeneratorów tryboelektrycznych zapewniających autonomiczne zasilanie systemów elektronicznych.

Jak podkreśla prof. Rucka, rozwiązania wypracowane w ramach badań podstawowych będzie można w przyszłości skalować i wykorzystywać w różnych dziedzinach – na przykład w budownictwie czy inżynierii mechanicznej, tworząc wielkogabarytowe elementy powierzchniowe, z wykorzystaniem technologii innych niż druk 3D, a także w medycynie, np. do produkcji implantów biomedycznych.

Zwiększenie bezpieczeństwa konstrukcji

W swojej pracy badawczej prof. Rucka wraz z zespołem wykorzystuje zintegrowaną diagnostykę, polegającą na jednoczesnym stosowaniu różnych metod pomiarowych, jak cyfrowa korelacja obrazu, emisja akustyczna, propagacja fal ultradźwiękowych, pomiar rezystancji czy termowizja. Celem tak prowadzonej diagnostyki jest kompleksowe obrazowanie procesów zachodzących w materiale, takich jak deformacja, propagacja pęknięć (czyli rozszerzanie się pęknięcia) czy też zmiany strukturalne. Równoczesne pozyskiwanie danych z różnych źródeł umożliwia ich wzajemną weryfikację i integrację. Informacje zebrane w tym samym czasie są następnie wykorzystywane do opracowywania efektywnych algorytmów pozwalających na wykrywanie i lokalizację uszkodzeń, a także precyzyjne określanie stanu technicznego badanych elementów, np. pod wpływem narastającego obciążenia, obciążenia cyklicznego lub postępującej korozji.

W najnowszym projekcie naukowcy zbadają zależności pomiędzy poszczególnymi cechami wielofunkcyjnych kompozytów.

– Będzie to miało kluczowe znaczenie dla rozwoju inteligentnych materiałów. Natomiast w szerszej perspektywie wyniki projektu będą miały duży wpływ na zwiększenie bezpieczeństwa elementów konstrukcyjnych w różnych dziedzinach inżynierii i poprawę ich nowych, zintegrowanych funkcjonalności – podkreśla prof. Rucka.

Projekt „Wielofunkcyjny inteligentny kompozyt ze zintegrowaną funkcją samomonitorowania, samonagrzewania i samoregeneracji, wytworzony przy użyciu druku 3D (SMART-S2H3D)”, realizowany jest z dofinansowaniem w wysokości 1 339 560 zł z programu OPUS Narodowego Centrum Nauki.

Badania w gdańskich zabytkach

Prof. Magdalena Rucka bierze udział w badaniach w najważniejszych zabytkach w Gdańsku. Realizowała m.in. diagnostykę posadzki w bazylice św. Mikołaja oraz w kościele św. Józefa, wykorzystując metodę georadarową oraz modelowanie numeryczne. Z kolei w bazylice Mariackiej wraz z zespołem prowadziła badania filarów oraz wieży. W efekcie badań nad połączeniami wzmocnień wieży wypracowano metodę wyznaczania granicy między ośrodkami stałymi, z których jeden zawiera inkluzję, zwłaszcza w obiektach budowlanych. Metoda ta została opatentowana. Zespół prowadził też badania (georadarowe skanowanie 3D) w dawnym Opactwie Cystersów w Oliwie.

Zobacz film